RS485保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

1問題：

最近設(shè)計(jì)的一塊板子的RS485接口因?yàn)楦唠妷罕粨舸龤В?慘不忍睹?？梢砸妶D片。

圖一 事故現(xiàn)場(chǎng)

其具體嚴(yán)重的后果有三個(gè)：

TVS被擊穿；

RS485芯片損毀；

MCU不能正常工作。

2原因：

測(cè)試人員在搭建測(cè)試環(huán)境時(shí)，電源正負(fù)極反接造成的。

3具體電路分析：

在系統(tǒng)中主控板和節(jié)點(diǎn)設(shè)備均使用相同的RS485芯片和電路，唯一的區(qū)別是主設(shè)備對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)備提供24V的電源輸出，即在主控端， VIN+為輸出端， 提供24V（9~36V）電源， 而在節(jié)點(diǎn)設(shè)備端， VIN+為輸入端， 獲得板子的24V供電。

圖二：節(jié)點(diǎn)設(shè)備RS485電路

圖三：主控設(shè)備RS485電路

當(dāng)系統(tǒng)正常連接如下圖四時(shí)， 系統(tǒng)工作正常。

圖四：RS485系統(tǒng)互聯(lián)

而測(cè)試人員將正負(fù)極反接，錯(cuò)誤連接方式：

圖五：RS485系統(tǒng)錯(cuò)誤連接

為了分析原因，本人將錯(cuò)誤連接方式下的電流方向重新用粗線標(biāo)示。

在下圖中， 24V電源通過J1的Pin4進(jìn)入節(jié)點(diǎn)設(shè)備的0V網(wǎng)絡(luò)，然后通過R2進(jìn)入RS485的信號(hào)線RS485 B-（此時(shí)通過Z1同時(shí)進(jìn)入信號(hào)RS485 A+）。因?yàn)橹骺刂破骱凸?jié)點(diǎn)設(shè)備是互聯(lián)的， 因此24V電源直接供給了主設(shè)備的D2和IS83072的Pin7,超過了他們的最大允許工作電壓. 最終的結(jié)果是D2和IS83072直接燒毀。因?yàn)橹骺囟说腗CU（圖中未畫出）和IS83072通過UART接口相連， 同樣被損毀而不能工作（個(gè)人猜測(cè)是高壓24V通過 USART1 TX， USART1 DE和USART1 RX進(jìn)入了MCU）。

圖六：RS485系統(tǒng)錯(cuò)誤連接時(shí)的電流走向

在此附上D2和ISL83072的允許最大工作電壓：

ISL83072的電壓范圍-9~13V

CDSOT23-SM712 最大工作電壓7.0和12V

4電路改進(jìn)方法：

（1）在J1的Pin4 添加反向二極管。

將節(jié)點(diǎn)設(shè)備電源的反向保護(hù)二極管移動(dòng)到電源的負(fù)極。如下圖七所示。

優(yōu)點(diǎn)：

電路簡(jiǎn)單， 電路不用大的修改， BOM表不變。

缺點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)設(shè)備和主控設(shè)備的地平面有0.7V的差異；主控設(shè)備必須連接自己公司的節(jié)點(diǎn)設(shè)備。如果連接其他公司的設(shè)備，不能保證能夠得到有效保護(hù)。

圖七：電路改進(jìn)方法1

（2）在RS485電路的前端添加過壓保護(hù)電路。

本人沒有搜索到簡(jiǎn)單易用的過壓保護(hù)電路。如果有朋友有推薦電路，麻煩請(qǐng)告知，多謝。

（3）更換支持高電壓保護(hù)的RS485芯片

在尋找RS485過壓保護(hù)電路的過程中，發(fā)現(xiàn)多家芯片公司都能夠提供過壓保護(hù)的RS485芯片。

綜合考慮成本，封裝兼容等因數(shù)，本人選擇了TI的THVD2410DGK， 在此列舉其主要特性。

其中主要的一些特性：

3~5.5V 供電電壓兼容；

70V 電壓保護(hù)，對(duì)于24V的系統(tǒng)足夠安全；

最高速率500 kbps滿足大部分的傳輸速度要求。如果需要更快的速度可以更換為2450系列芯片，最高達(dá)到50Mbps

根據(jù)新的RS485芯片， 同時(shí)重新選擇TVS保護(hù)器件為SMA6J36CA。

更新后的電路如下：

當(dāng)主控設(shè)備提供24V電壓時(shí)，Z5和Z6的反向截止電壓為36V，不能擊穿。U2的Pin7最高電壓為70V， 也能安全工作。