CN114866160B - 一种采集终端中rs485芯片的隔离保护电路、模块、芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明属于数模混合及射频集成电路技术领域，具体涉及一种采集终端中RS485芯片的隔离保护电路、模块、芯片。该隔离保护电路包括隔离滤波电路、串口端保护器件，差分端保护器件。其中，隔离滤波电路包括隔离器件和滤波器件；隔离器件与RS485芯片电连接。滤波器件包括第一滤波电路、第二滤波电路和第三滤波电路。串口端保护器件连接在RS485芯片和隔离器件的串口端接口上。串口端保护器件用于泄放RS485串口管脚上的干扰信号。差分端保护器件连接在RS485芯片的差分端A、B上。差分端保护器件由4个限流电阻，3个瞬态抑制二极管，2个ESD二极管，上拉电阻、下拉电阻、热敏电阻、以及电容构成。本发明解决了RS485接口通信稳定性不足、抗干扰性能较差的问题。
Description
技术领域
本发明属于数模混合及射频集成电路技术领域，具体涉及一种采集终端中RS485芯片的隔离保护电路、模块、芯片，以及集成有隔离保护芯片的RS485芯片。
背景技术
电网上使用电力采集终端设备通常采用产品模组化设计，模组化的电力采集设备的由一系列具有独立功能和独立输入、输出的标准部件组成。模组化终端设计将电力采集终端分为电源单元、处理单元、通信单元、功能单元等各个不同的组成部分，各组成部分在物理上彼此隔离。为了提高隔离防护性能，采集终端主控模块MCU还会使用独立于其他电路的电源。并且为了防止其他各电源电路之间的干扰，部分设备中还需要将主控模块与其他电路或接口进行信号隔离。
现有的采集终端内部一般是没有保护器件的，电路通信容易受到干扰。部分采集终端电路采取了隔离电路的方案，但单一功能的隔离电路的无法应对RS485多样化干扰信号的屏蔽需求，也无法抵御累积的干扰信号对芯片的冲击。另外，通过增加保护模块或增加结构屏蔽干扰的措施，不仅应用成本高，还会给使用RS485通信接口的***的维护带来困难，不适于大规模推广应用。
发明内容
为了解决采用现有RS485接口进行通讯的设备容易被干扰，通信稳定性不足和抗干扰性能较差的问题；本发明一种采集终端中RS485芯片的隔离保护电路、模块、芯片，以及集成有隔离保护芯片的RS485芯片。
本发明采用以下技术方案实现：
一种采集终端中RS485芯片的隔离保护电路，该隔离保护电路包括隔离滤波电路、串口端保护器件，以及差分端保护器件。
其中，隔离滤波电路包括隔离器件和滤波器件；隔离器件的三通道接口包括使能端、发送端和接收端。隔离器件的三通道接口分别与RS485芯片中串口端的三个对应接口电连接。滤波器件包括第一滤波电路、第二滤波电路和第三滤波电路。第一滤波电路连接在隔离器件的电源端，用于抑制冲击电压对RS485的影响。第二滤波电路连接在隔离器件的地端，用于将RS485芯片上累积的干扰信号通过地端泄放出去。第三滤波电路连接在隔离器件除电源端和地端的所有接口上，用于去除高频干扰信号。
串口端保护器件连接在RS485芯片和隔离器件相互连接的串口端中的三个接口上。串口端保护器件用于泄放RS485串口管脚上的干扰信号。
差分端保护器件连接在RS485芯片的差分端A、B上。差分端保护器件由4个限流电阻R4、R6、R91、R92，3个瞬态抑制二极管TVS1、TVS2、TVS3，2个ESD二极管D11、D17，上拉电阻R23，下拉电阻R24，热敏电阻PTC1，以及电容C7构成。在差分端保护器件中，R4的其中一端与RS485芯片的其中一个差分接口B连接，R4的另一端依次串联R91和PTC1。PTC1的另一端作为差分接口B的外接端口。R6的其中一端与RS485芯片的另外一个差分接口A连接，R6的另一端与R92串联，R92的另一端作为差分接口A的外接端口。D11的其中一端连接在R4和R91之间，另一端接虚地。D17的其中一端连接在R5和R92之间，另一端接虚地。3个瞬态抑制二极管TVS1、TVS2、和TVS3彼此串联，两端接虚地。TVS1和TVS2的中间节点与R92和PTC1的中间节点电连接。TVS2和TVS3的中间节点与R92的作为差分接口A外接端的节点电连接。上拉电阻R23的其中一端与RS485芯片的差分接口B连接，另一端接虚地。下拉电阻R24的其中一端与RS485芯片的差分接口A连接，另一端接电源。电容C7的一端连接在RS485芯片的电源端，另一端接虚地。
作为本发明进一步的改进，串口端保护器件包括3个ESD二极管和1个电阻R93，其中两个ESD二极管分别串接在RS485芯片的发送端和接收端上，第三个ESD二极管与电阻R93并联后串接在RSA485芯片的使能端；三个ESD二极管的另一端均接虚地。
作为本发明进一步的改进，隔离器件采用具有双路六通道的传输器件；隔离器件支持同时与两个RS485芯片连接。
作为本发明进一步的改进，第二滤波电路采用一个安规电容C99，C99的其中一端与隔离器件其中一路的地端连接并接实地，C99的另一端与隔离器件另外一路的地端连接并接虚地。
作为本发明进一步的改进，安规电容C99采用规格为1000PF/4000V的Y电容。
作为本发明进一步的改进，第一滤波电路包括两组，二者均采用一个限流电阻和一个电容串联构成。隔离器件的两个电源端分别连接在两组第一滤波电路中限流电阻和电容之间相连的节点上。在两组第一滤波电路中，电容的另一端均接实地，限流电阻的另一端均接电源。
作为本发明进一步的改进，第三滤波电路由一个电阻和一个电容串联构成RC滤波电路。第三滤波电路中，电阻的另一端与隔离器件电连接，电容的另一端做为隔离器件外接的端口。
作为本发明进一步的改进，隔离器件采用Na8262六通道数字隔离器。差分端保护器件中的瞬态抑制二极管的型号为SMAJ60CA；热敏电阻PTC1的标称阻值在30-60Ω之间。
本发明还包括一种采集终端中RS485芯片的隔离保护模块，该隔离保护模块采用如前述的隔离保护电路的电路布局，并用于对RS485芯片进行隔离保护。隔离保护模块包括隔离滤波单元、串口端保护单元、差分端保护单元。
隔离滤波单元由隔离电路、第一滤波子单元、第二滤波子单元、第三滤波子单元构成。隔离电路采用具有双路六通道的数字隔离器。第一滤波子单元包括两组，分别连接在隔离器件的两个电源端上，第一滤波子单元用于抑制冲击电压对RS485的影响。第二滤波子单元连接在隔离器件的两个地端之间，用于将RS485芯片上累积的干扰信号通过地端泄放出去。第三滤波子单元采用多个独立的RC滤波电路，并连接在隔离器件除电源端和地端的所有接口上。所述第三滤波子单元用于去除高频干扰信号。
串口端保护单元连接在RS485芯片和隔离电路相互连接的串口端中的三个接口上。串口端保护器件用于泄放RS485串口管脚上的干扰信号。
差分端保护单元连接在RS485芯片的差分端A、B上，用于保护RS485芯片免受瞬间高压尖峰脉冲的冲击。
本发明还包括一种隔离保护芯片，该隔离保护芯片由如前述的采集终端中RS485芯片的隔离保护电路封装而成。隔离保护芯片的引脚包括：一个电源端引脚、一个地端引脚、一个虚地引脚、两个差分接口引脚，以及三个串口引脚。
电源端引脚其连接在RS485芯片的VCC引脚上，用于接电源。
一个地端引脚用于接实地。
虚地引脚连接在RS485芯片的GND引脚上，用于接虚地。
两个差分接口引脚分别和RS485芯片中的差分接口A和B电连接。
三个串口引脚包括发送端引脚，接收端引脚和使能端引脚。使能端引脚用于与RS485芯片的RE和DE引脚电连接；发送端引脚用于与RS485芯片的DI引脚电连接；所述接收端引脚用于与RS485芯片的RO引脚电连接。
本发明还包括一种RS485芯片，RS485芯片集成有如前述的隔离保护芯片，并自带隔离防护功能，提高通信稳定性和抗干扰能力。
本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：
1.本发明的隔离保护电路在RS485芯片的A、B差分接口，以及串口发送端、接收端、使能端均增加一个ESD保护二极管，保护RS485芯片免受外界的脉冲群耦合干扰、静放电干扰以及静电等高频信号的干扰。当RS485接口错接到强电线时，ESD2部分作为第一级保护，PTC2作为热敏电阻，从而可以保护整个RS485不被强电烧坏。通过设置TVS管，可以PS级的速度把过高的电压限制在一个安全范围之内，从而起到保护后面电路的作用，三个瞬变瞬态抑制二极管TVS1、TVS2和TVS3放在这个位置，能够保护电路免受浪涌过电压信号冲号。通过设置D11和D17两个ESD二极管，将其并联于电路中，可以保护电路免受高频信号的干扰。TVS吸收能量大，反映慢，适合浪涌防护，ESD二极管吸收能力小，但反应速度快，适合静电场合，所以ESD2部分第一级保护同时采用ESD二极管和TVS管，可以兼顾屏蔽外界的脉冲群耦合干扰和静放电干扰。另外，ESD1部分作为第二级保护，采用三个ESD管D13、D16和D18，保护RS485芯片免受静电等高频信号干扰。
2.本发明的隔离保护电路在容性隔离器件的输入端和输出端分别增加了RC滤波电路，保护通信免受干扰。避免芯片受到冲击电流影响而损坏。
3.本发明提供的方法中还在容性隔离器件的光耦接地两端加合适的安规电容，利用安规电容快速泄放电路干扰信号累计的电荷，进而提高传输的信号的稳定性，提升芯片的抗干扰能力。
4.本发明提供的方案可以对RS485芯片提供全方位信号抗干扰效果，大幅提升芯片的隔离保护性能，并且可以集成到现有芯片或现有设备中，进而降低设备安装成本，提升产品的可维护性能。
附图说明
图1为本发明实施例1中提供的一种采集终端中RS485芯片的隔离保护电路的详细电路图。
图2为本发明实施例1中隔离器件中的串联电容实现高压隔离的示意图。
图3为本发明实施例2中提供的一种采集终端中RS485芯片的隔离保护模块的功能模块连接示意图。
图4为本发明实施例3中的提供的一种采集终端中RS485芯片的隔离保护芯片及其引脚的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种采集终端中RS485芯片的隔离保护电路，该隔离保护电路包括隔离滤波电路、串口端保护器件，以及差分端保护器件。
其中，如图1所示，隔离滤波电路包括隔离器件和滤波器件。具体地，本实施例中的隔离器件为电路图中的U8芯片。隔离电路采用具有双路六通道的传输器件；电路型号为Na8262；该隔离器件支持同时与两个RS485芯片连接，RS485芯片对应电路图中的U2芯片，型号为MAX3082ESA。隔离器件的三通道接口包括使能端RN、发送端TX和接收端RX。隔离器件的三通道接口分别与RS485芯片中串口端的三个对应接口电连接。
隔离是一种防止***两部分之间有直流干扰，或者防止干扰***流电流的方法，同时允许信号可以在这两部分***正常传输。为保护操作人员，防止高压***中昂贵的处理器损坏，就会需要这种隔离，切断通信网络中的接地回路与高端设备通信。数字隔离器就成了最好的选择，如SPI，UART，I2C，RS-485和CAN在许多不同的***应用中，包括工业自动化***、电机驱动、医疗设备、太阳能逆变器、电源和混合动力电动汽车。
请参阅图2，隔离器件可以使用二氧化硅(SiO2)作为信号绝缘和数字隔离器中使用的电介质。通常使用两个串联的二氧化硅电容器，即在隔离栅的每侧各一个，从而实现高压隔离。与基于电感的(磁隔)隔离器和传统的光耦相比，SiO2所提供的介电强度是最高的，不会因暴露于环境湿度而退化，并且可以有大于100年的隔离寿命。
本实施例中的滤波器件包括第一滤波电路、第二滤波电路和第三滤波电路。第一滤波电路连接在隔离器件的电源端，对应图1中RC1区域的部分电路。第一滤波电路用于抑制冲击电压对RS485的影响。考虑到隔离器件具有两路输出，并可支持两个RS485芯片的连接。在本实施中，第一滤波电路也设置为两组。两组第一过滤电流均采用一个限流电阻和一个电容串联构成。隔离器件的两个电源端分别连接在两组第一滤波电路中限流电阻和电容之间相连的节点上。在两组第一滤波电路中，电容的另一端均接实地，限流电阻的另一端均接电源。
本实施例中的第二滤波电路连接在隔离器件的地端。第二滤波电流用于将RS485芯片上累积的干扰信号通过地端泄放出去。如图1中RC2区域所示，第二滤波电路采用一个安规电容C99，C99的其中一端与隔离器件其中一路的地端连接并接实地，C99的另一端与隔离器件另外一路的地端连接并接虚地。在本实施例中，安规电容C99采用规格为1000PF/4000V的Y电容。
本实施例中，第一滤波电路和第二滤波电路均可起到RC低通滤波器的作用。电容元件具有通高频、阻低频的特性。而RC滤波器正是利用电容元件的这一特性，将高频信号引入地，电路中就只剩下低频信号，从而实现电路中把高频信号中去除的目的。
第三滤波电路连接在隔离器件除电源端和地端的所有接口上，第三滤波电路用于泄放累计在RS485电路地端的电荷。如图1中RC3区域所示，第三滤波电路由一个电阻和一个电容串联构成RC滤波电路。第三滤波电路中，电阻的另一端与隔离器件电连接，电容的另一端做为隔离器件外接的端口。
本实施例中，第三滤波电路用到了Y电容的耦合作用，把两个电路之间相连，允许交流信号通过并传输到下一级电路，从而把虚地上面的干扰能量泄放到真正的地中，干扰信号能量被传输出去，从而保护RS485部分的电路元器件。
串口端保护器件连接在RS485芯片和隔离器件相互连接的串口端中的三个接口上。串口端保护器件用于泄放RS485串口管脚上的干扰信号。具体地，如图1中ESD1部分所示，串口端保护器件包括3个ESD二极管和1个电阻R93，其中两个ESD二极管分别串接在RS485芯片的发送端和接收端上，第三个ESD二极管与电阻R93并联后串接在RSA485芯片的使能端；三个ESD二极管的另一端均接虚地。
本实施例中，ESD二极管吸收能力虽小，但反应速度快，适合静电等场合。通过采用三个ESD二极管D13、D16和D18，能够保护RS485芯片免受静电等高频信号干扰。
差分端保护器件连接在RS485芯片的差分端A、B上。差分端保护器件由4个限流电阻R4、R6、R91、R92，3个瞬态抑制二极管TVS1、TVS2、TVS3，2个ESD二极管D11、D17，上拉电阻R23，下拉电阻R24，热敏电阻PTC1，以及电容C7构成。差分端保护器件中的瞬态抑制二极管的型号为5MAJ60CA；热敏电阻PTC1的标称阻值可以在30-60Ω之间，在此不再赘述。
如图1中ESD2部分所示，在差分端保护器件中，R4的其中一端与RS485芯片的其中一个差分接口B连接，R4的另一端依次串联R91和PTC1。PTC1的另一端作为差分接口B的外接端口。R6的其中一端与RS485芯片的另外一个差分接口A连接，R6的另一端与R92串联，R92的另一端作为差分接口A的外接端口。D11的其中一端连接在R4和R91之间，另一端接虚地。D17的其中一端连接在R5和R92之间，另一端接虚地。3个瞬态抑制二极管TVS1、TVS2、和TVS3彼此串联，两端接虚地。TVS1和TVS2的中间节点与R92和PTC1的中间节点电连接。TVS2和TVS3的中间节点与R92的作为差分接口A外接端的节点电连接。上拉电阻R23的其中一端与RS485芯片的差分接口B连接，另一端接虚地。下拉电阻R24的其中一端与RS485芯片的差分接口A连接，另一端接电源。电容C7的一端连接在RS485芯片的电源端，另一端接虚地。
本实施例中，TVS的作用是的当两端经受瞬间高能量冲击时，它以PS秒级的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收一个瞬间大电流，把它的两端电压箝制在一个预定的数值上，从而保护后面的精密元器件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击，三个瞬变瞬态抑制二极管TVS1、TVS2和TVS3放在这个位置，主要保护电路免受浪涌过电压信号冲号；D11和D17是ESD二极管，ESD二极管并联于电路中，保护电路免受高频信号的干扰。TVS吸收能量大，反映慢，适合浪涌防护，ESD二极管反应速度快，适合静电场合。
实施例2
在实施例1设计的电路的基础上，本实施例还包括本发明还包括一种采集终端中RS485芯片的隔离保护模块，该隔离保护模块采用如实施例1中的隔离保护电路的电路布局，并用于对RS485芯片进行隔离保护。
本实施例中的隔离保护模块包括隔离滤波单元、串口端保护单元、差分端保护单元三类不同的电路单元。事实上，隔离保护模块既可以采用实施例1中的电路，也可以采取具有相同性能的不同规格的其它信号芯片或电路。
如图3所示，隔离滤波单元由隔离电路、第一滤波子单元、第二滤波子单元、第三滤波子单元构成。隔离电路采用具有双路六通道的数字隔离器。第一滤波子单元包括两组，分别连接在隔离器件的两个电源端上，第一滤波子单元用于抑制冲击电压对RS485的影响。第二滤波子单元连接在隔离器件的两个地端之间，用于将RS485芯片上累积的干扰信号通过地端泄放出去。第三滤波子单元采用多个独立的RC滤波电路，并连接在隔离器件除电源端和地端的所有接口上。所述第三滤波子单元用于去除高频干扰信号。
串口端保护单元连接在RS485芯片和隔离电路相互连接的串口端中的三个接口上。串口端保护器件用于泄放RS485串口管脚上的干扰信号。
差分端保护单元连接在RS485芯片的差分端A、B上，用于RS485电路免受脉冲群、静放电干扰和强电烧坏元器件。
实施例3
本实施例还包括一种隔离保护芯片，该隔离保护芯片由如实施例1的采集终端中RS485芯片的隔离保护电路封装而成。封装成芯片的模式，更易于隔离保护电路的推广与应用。并最终集成采集装置等设备中。提升设备的可维护性能。
如图4所示，隔离保护芯片的引脚包括：一个电源端引脚、一个地端引脚、一个虚地引脚、两个差分接口引脚，以及三个串口引脚。
其中，电源端引脚其连接在RS485芯片的VCC引脚上，用于接电源。
一个地端引脚用于接实地。
虚地引脚连接在RS485芯片的GND引脚上，用于接虚地。
两个差分接口引脚分别和RS485芯片中的差分接口A和B电连接。
三个串口引脚包括发送端引脚，接收端引脚和使能端引脚。使能端引脚用于与RS485芯片的RE和DE引脚电连接；发送端引脚用于与RS485芯片的DI引脚电连接；所述接收端引脚用于与RS485芯片的RO引脚电连接。
实施例4
在前述实施例的基础上，本实施例进一步提供一种RS485芯片，RS485芯片集成有如实施例3中的隔离保护芯片，并自带隔离防护功能，提高通信稳定性和抗干扰能力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种采集终端中RS485芯片的隔离保护电路，其特征在于，其包括
隔离滤波电路，其包括隔离器件和滤波器件；所述隔离器件的三通道接口包括使能端、发送端和接收端；隔离器件的三通道接口分别与RS485芯片中串口端的三个对应接口电连接；所述滤波器件包括第一滤波电路、第二滤波电路和第三滤波电路；第一滤波电路连接在隔离器件的电源端，用于抑制冲击电压对RS485芯片的影响；所述第二滤波电路连接在隔离器件的地端，用于将RS485芯片上累积的干扰信号通过地端泄放出去；所述第三滤波电路连接在隔离器件除电源端和地端的所有接口上，用于去除高频干扰信号；
串口端保护器件，其连接在RS485芯片和隔离器件相互连接的串口端中的三个接口上；所述串口端保护器件用于泄放RS485芯片串口管脚上的干扰信号；以及
差分端保护器件；其连接在RS485芯片的差分端A、B上；所述差分端保护器件由4个限流电阻R4、R6、R91、R92，3个瞬态抑制二极管TVS1、TVS2、TVS3，2个ESD二极管D11、D17，上拉电阻R23，下拉电阻R24，热敏电阻PTC1，以及电容C7构成；在所述差分端保护器件中，R4的其中一端与RS485芯片的其中一个差分接口B连接，R4的另一端依次串联R91和PTC1；PTC1的另一端作为差分接口B的外接端口；R6的其中一端与RS485芯片的另外一个差分接口A连接，R6的另一端与R92串联，R92的另一端作为差分接口A的外接端口；D11的其中一端连接在R4和R91之间，另一端接虚地；D17的其中一端连接在R5和R92之间，另一端接虚地；3个瞬态抑制二极管TVS1、TVS2、和TVS3彼此串联，两端接虚地；TVS1和TVS2的中间节点与R92和PTC1的中间节点电连接；TVS2和TVS3的中间节点与R92的作为差分接口A外接端的节点电连接；上拉电阻R23的其中一端与RS485芯片的差分接口B连接，另一端接虚地；下拉电阻R24的其中一端与RS485芯片的差分接口A连接，另一端接电源；电容C7的一端连接在RS485芯片的电源端，另一端接虚地。
2.如权利要求1所述的采集终端中RS485芯片的隔离保护电路，其特征在于：所述串口端保护器件包括3个ESD二极管和1个电阻R93，其中两个ESD二极管分别串接在RS485芯片的发送端和接收端上，第三个ESD二极管与电阻R93并联后串接在RSA485芯片的使能端；三个ESD二极管的另一端均接虚地。
3.如权利要求1所述的采集终端中RS485芯片的隔离保护电路，其特征在于：所述隔离器件采用具有双路六通道的传输器件；隔离器件支持同时与两个RS485芯片连接；
所述第二滤波电路采用一个安规电容C99，C99的其中一端与隔离器件其中一路的地端连接并接实地，C99的另一端与隔离器件另外一路的地端连接并接虚地。
4.如权利要求3所述的采集终端中RS485芯片的隔离保护电路，其特征在于：所述安规电容C99采用规格为1000PF/4000V的Y电容。
5.如权利要求3所述的采集终端中RS485芯片的隔离保护电路，其特征在于：所述第一滤波电路包括两组，二者均采用一个限流电阻和一个电容串联构成；隔离器件的两个电源端分别连接在两组第一滤波电路中限流电阻和电容之间相连的节点上；在两组第一滤波电路中，电容的另一端均接实地，限流电阻的另一端均接电源。
6.如权利要求5所述的采集终端中RS485芯片的隔离保护电路，其特征在于：所述第三滤波电路由一个电阻和一个电容串联构成RC滤波电路；第三滤波电路中，电阻的另一端与隔离器件电连接，电容的另一端作为隔离器件外接的端口。
7.如权利要求1所述的采集终端中RS485芯片的隔离保护电路，其特征在于：所述隔离器件采用Na8262六通道数字隔离器；所述差分端保护器件中的瞬态抑制二极管的型号为5MAJ60CA；热敏电阻PTC1的标称阻值在30-60Ω之间。
8.一种隔离保护芯片，其特征在于，其由如权利要求1至7中任意一项所述的采集终端中RS485芯片的隔离保护电路封装而成；所述隔离保护芯片的引脚包括：
一个电源端引脚，其连接在RS485芯片的VCC引脚上，用于接电源；
一个地端引脚，其用于接实地；
一个虚地引脚，其连接在RS485芯片的GND引脚上，用于接虚地；
两个差分接口引脚，其用于和RS485芯片中的差分接口A和B电连接；
三个串口引脚，其包括发送端引脚，接收端引脚和使能端引脚；所述使能端引脚用于与RS485芯片的RE和DE引脚电连接；所述发送端引脚用于与RS485芯片的DI引脚电连接；所述接收端引脚用于与RS485芯片的RO引脚电连接。
9.一种RS485芯片，其特征在于：所述RS485芯片集成有如权利要求8所述的隔离保护芯片。
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