傳統(tǒng)機(jī)械式電表只能記錄所消耗的累積用電量，但對于電源實(shí)際消耗狀況卻不得而知。相比之下，智能電表還可以記錄每個(gè)用戶的月度用電量、功率因數(shù)及分時(shí)用電量等信息。將這些信息統(tǒng)一收集到用電信息采集系統(tǒng)集中器中，實(shí)時(shí)傳送給電力部門，便能使其對電力負(fù)荷進(jìn)行分析預(yù)測和平衡管理調(diào)配，使電力部門不會因輸出多余電力而造成能源損失。其中智能電表與電力部門之間的通信網(wǎng)絡(luò)便是智能電網(wǎng)，智能電網(wǎng)二次系統(tǒng)由智能電表和集中器等設(shè)備組成。目前可供選擇的通信接口包括ZigBee、電力線載波(PLC)、以太網(wǎng)以及RS-485網(wǎng)絡(luò)等，其中RS485網(wǎng)絡(luò)因其架設(shè)成本低、整體安裝簡便，而被作為智能電表必備的標(biāo)準(zhǔn)接口。RS-485通信線因?yàn)橐话慵茉O(shè)在室外或沿電纜線進(jìn)行鋪設(shè)，所以較易受到雷擊及其它靜電干擾而導(dǎo)致同一條總線上大量的智能電表設(shè)備損壞。晶焱科技憑借長期在ESD保護(hù)領(lǐng)域所累積的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，推出了具有抗雷擊保護(hù)能力(達(dá)IEC61000-4-5 (8/20μs) ±30A)和系統(tǒng)級靜電放電(ESD)防護(hù)能力(達(dá)IEC 61000-4-2接觸放電±30kV)的RS485收發(fā)器AZRS3082。
ESD/雷擊保護(hù)在智能電表中的意義
智能電網(wǎng)的一根RS-485總線上可掛接數(shù)十甚至上百塊智能電表。雷擊浪涌的發(fā)生將會造成總線上數(shù)塊智能電表損壞。故雷擊保護(hù)措施是智能電表RS-485接口在實(shí)際應(yīng)用中必須考慮的問題，同時(shí)也是提高系統(tǒng)可靠性及安全性的重要措施。
DL/T645通信規(guī)約要求RS485收發(fā)器通信接口A、B端所承受的人體模型(Human Body Model，HBM)靜電放電需滿足15kV標(biāo)準(zhǔn)，而在實(shí)際應(yīng)用上這樣的防護(hù)卻是不夠的。因此目前一般的解決方法是在RS-485收發(fā)器外部加上瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)來抑制浪涌電壓，而一般的TVS很難做到大功率級，當(dāng)雷擊浪涌發(fā)生時(shí)，瞬態(tài)大電能將直接損壞一般的TVS，尤其是集成在芯片中的TVS更加脆弱，因此在設(shè)計(jì)上還必須外加雷擊浪涌保護(hù)器件。
目前外加的雷擊浪涌保護(hù)器件包括陶瓷氣體放電管、壓敏電阻及TVS三種。放電管的耐電流能力強(qiáng)，但其反應(yīng)速度慢，鉗位電壓也很高(約為800V左右)，這些特性使其保護(hù)效果大打折扣，常會遇到即使加了放電管，受保護(hù)器件仍會損害的情況。壓敏電阻寄生電容大，導(dǎo)通電阻高，且低電壓的壓敏電阻漏電流大，故也不適用于RS-485接口的保護(hù)。傳統(tǒng)的利用半導(dǎo)體制作的TVS雖然反應(yīng)速度極快，但其耐大電壓、大電流的能力不足，所以也難以抵擋雷擊浪涌的沖擊。
對于雷擊浪涌，既要利用半導(dǎo)體制作的TVS進(jìn)行全方位保護(hù)，又要將其集成到芯片之中一般很難實(shí)現(xiàn)。晶焱科技的RS-485收發(fā)器AZRS3082成功地將可抵擋雷擊浪涌的特殊TVS內(nèi)置到芯片之中，其傳輸線脈沖(TLP)雙向特性曲線如圖1所示。與其它內(nèi)置雷擊保護(hù)收發(fā)器的雷擊浪涌測試特性比較如圖2所示。由圖可看出AZRS3082不僅可以承受更高的雷擊浪涌電流，還具有更低的浪涌鉗位電壓。TVS浪涌鉗位電壓越低，那么它對芯片的保護(hù)效果也越好。
這款內(nèi)置特殊TVS的RS485收發(fā)器還提供了系統(tǒng)級靜電放電ESD保護(hù)，從而使得通信線接口A、B端能得到更完整的保護(hù)。其RS-485通信口A、B的耐壓、耐流規(guī)格如下：
IEC 61000-4-2接觸放電±30kV；
IEC 61000-4-2氣隙放電±30kV；
IEC 61000-4-4電快速瞬變脈沖群(EFT) (5/50ns) 4.4kV；
IEC 61000-4-5雷擊浪涌(8/20μs) ±30A。
除通信口A、B端具有完整的ESD保護(hù)外，AZRS3082片內(nèi)還內(nèi)置了整體防護(hù)，HBM靜電放電保護(hù)更是每一管腳均符合DL/T645規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)(JEDEC HBM 15kV)，其全芯片ESD保護(hù)架構(gòu)如圖3所示。除此之外，為滿足工業(yè)級應(yīng)用，芯片的機(jī)器模型(Machine Model，MM)測試高達(dá)800V，使其在Profibus上的應(yīng)用(工業(yè)自動控制)具有極高的安全性。在芯片自我防護(hù)方面，AZRS3082的充電器件模型(Charge Device Model，CDM)防護(hù)能力高達(dá)2kV，這使得芯片在因制造工藝不良而累積過多電荷時(shí)具有強(qiáng)大的自我保護(hù)能力。在穩(wěn)定性及可靠性上，AZRS3082具備的閂鎖防護(hù)能力高達(dá)400mA，因而可以應(yīng)用于高噪聲的環(huán)境下。
晶焱科技RS-485系列產(chǎn)品
晶焱科技RS-485產(chǎn)品規(guī)格如表1所示，產(chǎn)品分別為內(nèi)置TVS保護(hù)的AZRS485、內(nèi)置雷擊浪涌保護(hù)TVS的AZRS3082和AZRS3088以及具有電氣隔離功能的AZRS3088-ISO和AZRS3082-ISO。
AZRS485將原來置于系統(tǒng)PCB上的外部TVS內(nèi)置到RS485收發(fā)器，這樣單獨(dú)一片AZRS485即可對抗系統(tǒng)級靜電放電(IEC 61000-4-2接觸放電±15kV)，而不需再接入額外的保護(hù)器件。AZRS485為半雙工通信方式，即僅利用一條雙絞線(總線)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。在同一總線上，AZRS485最大可掛接256個(gè)RS485收發(fā)器。在AZRS485接收端RX的設(shè)計(jì)上，考慮了RS485標(biāo)準(zhǔn)及失效安全功能(A、B端誤接但仍能保證安全)。在不同的共模電壓(VCM=-7~12V)下，將接收端RX的臨界電壓設(shè)計(jì)在-50mV～-200mV之間，可以使其在符合RS485標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)又能夠達(dá)到失效安全的要求，這樣相當(dāng)適合于智能電表中的使用。
AZRS3082及AZRS3088將防護(hù)能力再次大幅提升。除了將原有系統(tǒng)級靜電放電防護(hù)等級提高到IEC 61000-4-2接觸放電±30kV外，還在芯片中內(nèi)置了強(qiáng)大的雷擊防護(hù)(IEC 61000-4-5雷擊浪涌±30A)。其優(yōu)越的靜態(tài)功耗及超低的待機(jī)功耗(<1nA)符合目前節(jié)能減排的環(huán)保政策。因此AZRS3082、AZRS3088是擁有高性能、高穩(wěn)定性和高安全性的RS485收發(fā)器。
當(dāng)系統(tǒng)設(shè)備置于高壓環(huán)境中時(shí)，需要確保使用人員人身安全和對系統(tǒng)設(shè)備提供保護(hù)，以及在通信總線與邏輯控制器之間進(jìn)行電氣隔離。電氣隔離不但可以使操作人員及系統(tǒng)設(shè)備免受危險(xiǎn)電壓威脅，還可以使系統(tǒng)在受到嚴(yán)重干擾和其它系統(tǒng)級噪聲存在的情況下實(shí)現(xiàn)連續(xù)無差錯(cuò)的通信。AZRS485、AZRS3082以及AZRS3088都將RS485前端的保護(hù)器件集成到RS485收發(fā)器中以提供靜電及雷擊防護(hù)，而AZRS3082-ISO和AZRS3088還將RS485后端與邏輯控制器之間的電氣隔離器件集成到RS-485收發(fā)器中，如圖4所示。
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