專利名稱：接口保護電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及保護電路設計的技術領域，尤其涉及一種接口保護電路。
技術背景在系統(tǒng)設計時，對各種接口的保護電路的設計將直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在使用各種接口芯片時，應該注意的問題包括a、 在某些場合，由于現(xiàn)場情況十分復雜，各節(jié)點之間可能存在很高的共 模電壓。對于采用差分傳輸方式的接口，具有一定的抗共模干擾的能力，但 當共模電壓超過差分接口的極限接收電壓時，差分接口就再也無法正常工作 了，嚴重時甚至會燒毀芯片和儀器設備。b、 接口芯片在使用、焊接或設備的運輸途中都有可能受到靜電的沖擊 而損壞。在傳輸線架設于戶外的使用場合，接口芯片乃至整個系統(tǒng)還有可能 遭致雷電的襲擊。為防止問題a的發(fā)生，對接口進行保護時通常采用的電路是在外部接口 和受保護的接口之間串聯(lián)隔離電路/變壓器；為防止問題b的發(fā)生，對接口進 行保護時通常采用的電路是直接采用帶有防靜電(ESD)的接口芯片，或在 受保護的接口的信號線上連接瞬態(tài)電壓抑制(TVS)瀉放電路。下面以RS-485接口為例，對接口的保護電路做進一步具體說明。為減 少或避免上述問題對RS-485接口甚至芯片的干擾和破壞，常用的保護電路 包括在RS-485接口和其它接口之間連接光隔離器/變壓器等，將各接口之間 的信號進行隔離，如圖la所示。在采用RS-485接口的系統(tǒng)中，通常使用光 隔離器/變壓器將RS-485接口與主器件的接口進行隔離，從而防止^4妄口之 間產(chǎn)生過高的共模電壓。其中，光隔離器是利用光信號將電氣信號實現(xiàn)轉換， 消除了電氣連續(xù)性。只要電路的漂浮電平不超過隔離器的額定擊穿電壓(通 常為1000-2500V)，接口就不會損壞。直接采用帶有防靜電的RS-485接口芯片，或在RS-485接口的信號線上 連接TVS瀉放電路，如圖lb所示。當系統(tǒng)受到靜電沖擊或遭雷擊而導致信 號線上出現(xiàn)浪涌電流時，TVS瀉放電路可以為浪涌電流提供一條到地的低阻 抗通道，使浪涌電流能夠迅速地瀉放到地上，從而保護接口免受浪涌電流的 沖擊。上述保護電路都存在一些問題對于采用光隔離器/變壓器作為保護電路 來說，該電路雖然對共模瞬變很有效，但是對信號線之間的差模瞬變則無能 為力，而且光隔離器需要獨立的電源供應，復雜性高，對持續(xù)的瞬變不敏感； 對于采用TVS瀉放電路作為保護電路來說，由于保護器件需要吸收大量能 量，因此不能承受較長時間的瞬變，而且會有殘留的電壓、電流泄漏到后級 的接口電i 各中。對RS-485接口而言，經(jīng)過試驗證明上述保護電路在做電快速瞬變脈 沖群抗擾性試驗、雷擊浪涌抗擾性試驗時都只能做到2級標準，而且不能消 除熱插拔時帶來的尖峰脈沖。采用上述保護電路，對室內設備可以起到很好 的保護作用。但對于室外設備，尤其是需要在惡劣環(huán)境中使用的室外設備并 且需要做到3級以上標準，上述保護電路就不能滿足要求了 。 發(fā)明內容有鑒于此，本發(fā)明解決的技術問題是提供一種接口保護電路，可以為接 口提供更好的保護，提高接口的可靠性和穩(wěn)定性。對RS-485接口而言，經(jīng) 過試驗證明，采用本發(fā)明提供的保護電路，可以滿足電快速瞬變脈沖群抗擾 性試驗、雷擊浪涌抗擾性等試驗的4級標準，同時可以支持接插件的熱插拔。 本發(fā)明同時還提供了用于環(huán)境較好、保護等級要求較低的保護電路。為此，本發(fā)明提供的技術方案如下一種接口保護電路，包括在外部接口和受保護的接口之間通過信號線依 次串聯(lián)的瞬態(tài)電壓抑制TVS瀉放電路和信號隔離電路，其中，在信號隔離電 路和受保護的接口之間還串聯(lián)有箝位電路。其中，所述受保護的接口是RS-485接口。其中，所述TVS瀉放電路包括兩個TVS雙向二極管，所述外部RS-485 接口的差分信號線分別通過一個TVS雙向二極管和地連接。其中，所述信號隔離電路包括一個共模電感，所述外部RS-485接口的 差分信號線和受保護的RS-485接口的差分信號線通過共模電感連接。 其中，所述信號隔離電路包括兩個電阻，所述外部RS-485接口的差分 信號線和受保護的RS-485接口的差分信號線分別通過一個電阻連接。其中，所述箝位電路包括三個箝位二極管，所述受保護的RS-485接口 的差分信號線分別通過一個箝位二極管和地連接，所述RS-485接口的差分 信號線之間通過一個箝位二極管連接。其中，所述箝位電路包括兩個箝位二極管，所述受保護的RS-485接口 的差分信號線分別通過一個箝位二^l管和地連"l妾。本發(fā)明同時還提供了用于環(huán)境較好、保護等級要求較低的接口保護電 路，該電路包括在外部接口和受保護的接口之間通過信號線串聯(lián)的信號隔離 電路，其中，在信號隔離t路和受保護的接口之間還串聯(lián)有箝位電路。其中，所述受保護的接口是RS-485接口。其中，所述信號隔離電路包括一個共模電感，所述外部RS-485接口的 差分信號線和受保護的RS-485接口的差分信號線通過共模電感連接。其中，所述箝位電^各包括三個箝位二極管，所述受保護的RS-485接口 的差分信號線分別通過一個箝位二極管和地連接，所述RS-485接口的差分 信號線之間通過一個箝位二極管連接。其中，所述箝位電路包括兩個箝位二極管，所述受保護的RS-485接口 的差分信號線分別通過一個箝位二極管和地連接。本發(fā)明提供的接口保護電路包括三種電路，分別是TVS瀉放電路、信號 隔離電路和箝位電路。雖然這三種電路都是常用的保護電路，但是將三種電 路按信號傳輸?shù)捻樞蜻M行連接，卻能達到對接口電路更好的保護效果。在本 發(fā)明中，按信號從外部接口向受保護的接口傳輸?shù)姆较?，依次串?lián)了第一級 的TVS瀉放電路、第二級的信號隔離電路和第三級的箝位電路。由于雷擊或 靜電而導致信號線上產(chǎn)生浪涌脈沖信號時，通過TVS瀉放電路可以將浪涌電 流旁路到地上。當信號線上產(chǎn)生浪涌脈沖信號時，通過信號隔離電路的電感， 不僅可以對信號線上的干擾尖峰脈沖進行抑制，而且還可以將前后級的信號 進行隔離保護。另外，通過電感還可以使前后級保護電路之間產(chǎn)生一定的電 壓差，使前后級保護電路能夠順序啟動，從而避免第一級的TVS瀉放電路被 旁路失去作用。第一級和第二級的電路將抑制并過濾掉浪涌信號的主要能量， 當殘留的浪涌信號進入第三級箝位電路時，可以通過信號線和地之間的箝位二極管將信號線和地之間的電位箝制在設計要求的范圍內。對RS-485接口 而言，經(jīng)過試驗證明，采用本發(fā)明提供的保護電路，可以滿足電快速瞬變脈 沖群抗擾性試驗、雷擊浪涌抗擾性等試驗的4級標準，同時可以支持接插件 的熱插拔。本發(fā)明同時還提供了用于環(huán)境較好、保護等級要求較低的保護電路。


圖la、 lb分別是在外部RS-485接口和受保護RS-485接口之間連接隔 離器/變壓器、TVS瀉放電路的示意圖；圖2是本發(fā)明中第一種保護電路的結構示意圖；圖3a和3b ~ 3d分別是二極管箝位電路的連接示意圖和信號傳輸示意圖； 圖4是本發(fā)明中第一種保護電路的連接示意圖； 圖5是本發(fā)明中第二種保護電路的連接示意圖； 圖6是本發(fā)明中第三種保護電路的連接示意圖； 圖7是本發(fā)明中第四種保護電路的連接示意圖。
具體實施方式
為能給接口提供更好的保護，提高接口的可靠性和穩(wěn)定性，在本發(fā)明中， 采用3種常用的電路，即TVS瀉放電路、隔離電路和箝位電路，經(jīng)過特定的 連接關系，為接口組成了 3級保護電路。在本發(fā)明中，^1言號從外部接口向 受保護的接口傳輸?shù)姆较颍来未?lián)了第一級的TVS瀉放電路、第二級的信 號隔離電路和第三級的箝位電路。由于雷擊或靜電而導致信號線上產(chǎn)生浪涌 脈沖信號時，通過TVS瀉放電路可以將浪涌電流旁路到地上。當信號線上產(chǎn) 生浪涌脈沖信號時，通過信號隔離電路的電感，不僅可以對信號線上的干擾 尖峰脈沖進行抑制，而且還可以將前后級的信號進行隔離保護。另外，通過 電感還可以使前后級保護電路之間產(chǎn)生一定的電壓差，使前后級保護電路能 夠順序啟動，從而避免第--級的TVS瀉放電路被旁路失去作用。第一級和第 二級的電路將抑制并過濾掉浪涌信號的主要能量，當殘留的浪涌信號進入第 三級箝位電路時，可以通過信號線和地之間的箝位二極管將信號線和地之間 的電位箝制在設計要求的范圍內。
下面，以RS-485接口為例，對本發(fā)明所述的3級保護電路做進一步具 體it明。為使RS-485接口的保護電路能夠滿足電快速瞬變脈沖群抗擾性試驗、 雷擊浪涌抗擾性等試驗的4級標準，并可以支持接插件的熱插拔，在本發(fā)明 中，為RS-485接口設計了 3級保護電路，如圖2所示。在圖2中，差分信 號從其它接口到RS-485接口需要經(jīng)過3級保護電路，第1級是TVS瀉放電 路，第2級是隔離電路，第3級是箝位電路。其中，箝位電路的作用是將信號的直流電平固定在某 一個確定的數(shù)值 上。下面，以常用的二極管箝位電路對箝位電路的作用加以說明。圖3a是二極管箝位電路的連接示意圖。當電路輸入矩形波信號Ui時， 假設輸入信號Ui的電平幅度為0~E,如圖3b所示。如果沒有箝位二極管 Dl，則輸入信號Ui中的直流分量將被電容C1隔開，只有交流分量傳至輸出 端，導致輸出信號Uo失去直流分量，輸出信號Uo的電平幅度將變?yōu)?E/2 ~ E/2,如圖3c所示。采用箝位二極管Dl后，當輸入信號Ui的幅度帶到E時，箝位二極管 Dl截止，電容C1充電。因時間常數(shù)R1 xCl很大，所以輸出信號Uo下降 了AU;當信號Ui突然變至零時，箝位二極管D1導通；電容Cl經(jīng)箝位二 極管Dl很快地放電，輸出信號Uo從-AU很快趨于零，因此輸出信號Uo 被箝位二極管D1箝位于0起始電平，也可以說，恢復了直流分量，如圖3d 所示。以上對常用的二極管箝位電路進行了簡要的說明，對于其它的可以對任 意電平進行箝位的常用電路，這里不再進行說明。下面，結合具體實施方式
對本發(fā)明的保護電路做進一步具體說明。 如圖4所示，本發(fā)明泉用普遍使用的雙向TVS 二極管41構成第1級的 TVS瀉放電路。其中，瞬態(tài)電壓抑制(TVS) 二極管，是目前普遍使用的一 種高效能電路保護器件。它的外形和普通二極管相同，但卻能吸收高達數(shù)千 瓦的浪涌功率，它的主要特點是在反向應用條件下，當承受高能量的大脈沖 時，其工作阻抗立即降至極低的導通值，從而允許大電流通過，同時把電壓 箝制在預定水平，其響應時間僅為10ms 12ms,因此可以有效地保護電子
線路中的精密元器件?？捎糜诜览讚?、防過電壓、抗干擾、吸收浪涌功率等。在第l級保護電路中，將與外部RS-485接口連接的兩根差分信號線分 別連接到兩個雙向TVS 二極管41的一端，兩個雙向TVS 二極管41的另一 端都連接到地。如圖4所示，雙向TVS 二極管41由兩只單向TVS 二極管"背 靠背"構成，雙向TVS 二極管41的電壓-電流特性曲線也如同兩只單向TVS 二極管的電壓-電流特性曲線的"背靠背"組合。雙向TVS 二極管41的正反 兩個方向都具有相同的雪崩擊穿特性和箝位特性，正反兩面擊穿電壓的對稱 關系為0.9《V正/V反《1.1， 一旦加在它兩端的千擾電壓超過箝位電壓就會 立刻被抑制掉。由于雷擊或靜電而導致差分信號線上產(chǎn)生浪涌脈沖信號時，通過雙向 TVS二極管41的雪崩擊穿特性和箝位特性，可以將浪涌電流旁路到地上。如圖4所示，本發(fā)明采用普遍使用的共模電感42構成第2級的隔離電 路。在第2級保護電路中.，將與外部RS-485接口連接的兩根差分信號線分 別連接到共模電感42 —側的兩端。共模電感42另一側的兩端分別連接到受 保護的RS-485接口相應的輸入端，并和第3級保護電路進行連接。由于雷擊或靜電而導致差分信號線上產(chǎn)生浪涌脈沖信號時，通過共模電 感42本身的特性可以對差分信號線上的共模干擾尖峰脈沖有抑制作用，還可 以將前后級信號進行隔離保護。另外，通過共^^電感42還可以使前后級保護 電路之間產(chǎn)生一定的電壓差，使前后級保護電路能夠順序啟動，從而避免第 1級保護電路被旁路。在某些應用場合下，當不需要共模電感也可以達到設計要求時，可以采 用電阻替代共模電感。這樣不僅能達到設計要求，還可以降低成本。如圖4所示，本發(fā)明采用普遍使用的箝位二極管43陣列構成第3級的 箝位電路。在第3級箝位電路中，在受保護的RS-485接口的每條差分信號 線和地之間分別連接一個箝位二極管43,在兩條差分信號線之間也連接一個 箝位二極管43。當殘留的浪涌信號到來時，不僅可以通過差分信號線和地之間的箝位二 極管43將差分信號線和地之間的電位箝制在設計要求的范圍內，而且可以通 過兩條差分信號線之間的箝位二極管43，將兩條差分信號線之間的電位也箝
制在設計要求的范圍內。經(jīng)過試驗證明，采用本發(fā)明提供的保護電路，可以滿足電快速瞬變脈沖群抗擾性試驗、雷擊浪涌抗擾性等試驗的4級標準，同時可以支持接插件的熱插拔。如果將本發(fā)明包括的三種電路進行其它的連接關系設計，例如將信號 隔離電路、TVS瀉放電路和箝位電路分別作為第一級、第二級和第三級電路， 或將TVS瀉放電路、箝位電路和信號隔離電路分別作為第一級、第二級和第 三級電路，則達不到本發(fā)明的目的，即，滿足電快速瞬變脈沖群抗擾性試驗、 雷擊浪涌抗擾性等試驗的4級標準?？梢钥闯?，本發(fā)明對三種電路進行的連 接關系設計，并非是隨意的連接關系設計，而是經(jīng)過仔細地考慮，創(chuàng)造性地 勞動，并經(jīng)過嚴格的試驗證明的。本發(fā)明所述的3級保護電路也可以如圖5所示。與圖4所示的保護電路 相比，在該電路的第3級箝位電路中，省略了兩條差分線之間的箝位二極管， 其它都相同，這里不再對該保護電路的連接關系進行重復說明。在某些環(huán)境較好、保護等級要求較低的場合，也可以將本發(fā)明的3級保 護電路簡化為2級保護電路，該保護電路如圖6所示。與3級保護電路相比， 2級保護電路僅省略了 TVS瀉放電路，這里不再對2級保護電路的連接關系 進行重復說明。其中，對圖6所示的保護電路中的箝位電路同樣可以進行簡化，如圖7 所示。與圖6所示的保護電路相比，在該電路的箝位電路中，省略了兩條差 分線之間的箝位二極管，其它都相同，這里不再對該保護電路的連接關系進 行重復說明。上述RS-485接口的差分信號線既可以是用于接收的信號線也可以是用 于發(fā)送的信號線。在使用本發(fā)明的保護電路時，應該將各保護器件盡量靠近信號線，同時 應該保證"地"的通暢。保護器件到地的連線應該盡量的寬，盡量的短。其 它電路和信號線應該遠離保護電路，以避免其它電路和信號線對保護電路的 干擾。雖然在上述實施例中都是以RS-485接口為例對本發(fā)明所述的接口保護
電路進行的說明，但本領域技術人員可以很容易地想到，所述保護電路的原 理同樣可以應用到其它接口，只要在設計保護電路時，根據(jù)其它接口的特性 選擇合適的器件即可，這里不再針對其它接口進行重復說明了 。以上所述的實施例僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā) 明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等， 均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1、一種接口保護電路，包括在外部接口和受保護的接口之間通過信號線依次串聯(lián)的瞬態(tài)電壓抑制TVS瀉放電路和信號隔離電路，其特征在于，在信號隔離電路和受保護的接口之間還串聯(lián)有箝位電路。
2、 根據(jù)權利要求1所述的保護電路，其特征在于，所述受保護的接口 是RS-485接口。
3、 根據(jù)權利要求2所述的電路，其特征在于，所述TVS瀉放電路包括 兩個TVS雙向二極管，所述外部RS-485接口的差分信號線分別通過一個TVS 雙向二極管和地連接。
4、 根據(jù)權利要求2所述的電路，其特征在于，所述信號隔離電路包括 一個共模電感，所述外部RS-485接口的差分信號線和受保護的RS-485接口 的差分信號線通過共模電感連接。
5、 根據(jù)權利要求2所述的電路，其特征在于，所述信號隔離電路包括 兩個電阻，所述外部RS-485接口的差分信號線和受保護的RS-485接口的差 分信號線分別通過一個電阻連接。
6、 根據(jù)權利要求2至5任意一項所述的電路，其特征在于，所述箝位 電路包括三個箝位二極管，所述受保護的RS-485接口的差分信號線分別通 過一個箝位二極管和地連接，所述RS-485接口的差分信號線之間通過一個 箝位二極管連接。
7、 根據(jù)權利要求2至5任意一項所述的電路，其特征在于，所述箝位 電路包括兩個箝位二極管，所述受保護的RS-485接口的差分信號線分別通 過一個箝位二極管和地連接。
8、 一種接口保護電路，包括在外部接口和受保護的接口之間通過信號 線串聯(lián)的信號隔離電路，其特征在于，在信號隔離電路和受保護的接口之間 還串聯(lián)有箝位電路。
9、 根據(jù)權利要求8所述的保護電路，其特征在于，所述受保護的接口 是RS-485接口。
10、 根據(jù)權利要求9所述的電路，其特征在于，所述信號隔離電路包括 一個共才莫電感，所述外部RS-485接口的差分信號線和受保護的RS-485接口 的差分信號線通過共模電感連接。
11、 根據(jù)權利要求9或10所述的電路，其特征在于，所述箝位電路包括三個箝位二極管，所述受保護的RS-485接口的差分信號線分別通過一個箝 位二極管和地連接，所述RS-485接口的差分信號線之間通過一個箝位二極管連接。
12、 根據(jù)權利要求9或IO所述的電路，其特征在于，所述箝位電路包 括兩個箝位二極管，所述受保護的RS-485接口的差分信號線分別通過一個 箝位二極管和地連接。
全文摘要
本發(fā)明公開一種接口保護電路，包括在外部接口和受保護的接口之間通過信號線依次串聯(lián)的瞬態(tài)電壓抑制TVS瀉放電路和信號隔離電路，其中，在信號隔離電路和受保護的接口之間還串聯(lián)有箝位電路。本發(fā)明還公開一種接口保護電路，包括在外部接口和受保護的接口之間通過信號線串聯(lián)的信號隔離電路，其中，在信號隔離電路和受保護的接口之間還串聯(lián)有箝位電路。
文檔編號H02H9/00GK101162840SQ20061011365
公開日2008年4月16日 申請日期2006年10月11日 優(yōu)先權日2006年10月11日
發(fā)明者翔 任 申請人:大唐移動通信設備有限公司