适合智能电表的内置ESD保护RS-485芯片

传统机械式电表只能记录所消耗的累积用电量，但对于电源实际消耗状况却不得而知。相比之下，智能电表还可以记录每个用户的月度用电量、功率因数及分时用电量等信息。将这些信息统一收集到用电信息采集系统集中器中，实时传送给电力部门，便能使其对电力负荷进行分析预测和平衡管理调配，使电力部门不会因输出多余电力而造成能源损失。其中智能电表与电力部门之间的通信网络便是智能电网，智能电网二次系统由智能电表和集中器等设备组成。目前可供选择的通信接口包括ZigBee、电力线载波(PLC)、以太网以及RS-485网络等，其中RS485网络因其架设成本低、整体安装简便，而被作为智能电表必备的标准接口。RS-485通信线因为一般架设在室外或沿电缆线进行铺设，所以较易受到雷击及其它静电干扰而导致同一条总线上大量的智能电表设备损坏。晶焱科技凭借长期在ESD保护领域所累积的研发经验，推出了具有抗雷击保护能力(达IEC61000-4-5 (8/20μs) ±30A)和系统级静电放电(ESD)防护能力(达IEC 61000-4-2接触放电±30kV)的RS485收发器AZRS3082。
ESD/雷击保护在智能电表中的意义

智能电网的一根RS-485总线上可挂接数十甚至上百块智能电表。雷击浪涌的发生将会造成总线上数块智能电表损坏。故雷击保护措施是智能电表RS-485接口在实际应用中必须考虑的问题，同时也是提高系统可靠性及安全性的重要措施。

DL/T645通信规约要求RS485收发器通信接口A、B端所承受的人体模型(Human Body Model，HBM)静电放电需满足15kV标准，而在实际应用上这样的防护却是不够的。因此目前一般的解决方法是在RS-485收发器外部加上瞬态电压抑制器(TVS)来抑制浪涌电压，而一般的TVS很难做到大功率级，当雷击浪涌发生时，瞬态大电能将直接损坏一般的TVS，尤其是集成在芯片中的TVS更加脆弱，因此在设计上还必须外加雷击浪涌保护器件。

目前外加的雷击浪涌保护器件包括陶瓷气体放电管、压敏电阻及TVS三种。放电管的耐电流能力强，但其反应速度慢，钳位电压也很高(约为800V左右)，这些特性使其保护效果大打折扣，常会遇到即使加了放电管，受保护器件仍会损害的情况。压敏电阻寄生电容大，导通电阻高，且低电压的压敏电阻漏电流大，故也不适用于RS-485接口的保护。传统的利用半导体制作的TVS虽然反应速度极快，但其耐大电压、大电流的能力不足，所以也难以抵挡雷击浪涌的冲击。



对于雷击浪涌，既要利用半导体制作的TVS进行全方位保护，又要将其集成到芯片之中一般很难实现。晶焱科技的RS-485收发器AZRS3082成功地将可抵挡雷击浪涌的特殊TVS内置到芯片之中，其传输线脉冲(TLP)双向特性曲线如图1所示。与其它内置雷击保护收发器的雷击浪涌测试特性比较如图2所示。由图可看出AZRS3082不仅可以承受更高的雷击浪涌电流，还具有更低的浪涌钳位电压。TVS浪涌钳位电压越低，那么它对芯片的保护效果也越好。



这款内置特殊TVS的RS485收发器还提供了系统级静电放电ESD保护，从而使得通信线接口A、B端能得到更完整的保护。其RS-485通信口A、B的耐压、耐流规格如下：
IEC 61000-4-2接触放电±30kV；
IEC 61000-4-2气隙放电±30kV；
IEC 61000-4-4电快速瞬变脉冲群(EFT) (5/50ns) 4.4kV；
IEC 61000-4-5雷击浪涌(8/20μs) ±30A。
除通信口A、B端具有完整的ESD保护外，AZRS3082片内还内置了整体防护，HBM静电放电保护更是每一管脚均符合DL/T645规约标准(JEDEC HBM 15kV)，其全芯片ESD保护架构如图3所示。除此之外，为满足工业级应用，芯片的机器模型(Machine Model，MM)测试高达800V，使其在Profibus上的应用(工业自动控制)具有极高的安全性。在芯片自我防护方面，AZRS3082的充电器件模型(Charge Device Model，CDM)防护能力高达2kV，这使得芯片在因制造工艺不良而累积过多电荷时具有强大的自我保护能力。在稳定性及可靠性上，AZRS3082具备的闩锁防护能力高达400mA，因而可以应用于高噪声的环境下。



晶焱科技RS-485系列产品

晶焱科技RS-485产品规格如表1所示，产品分别为内置TVS保护的AZRS485、内置雷击浪涌保护TVS的AZRS3082和AZRS3088以及具有电气隔离功能的AZRS3088-ISO和AZRS3082-ISO。



AZRS485将原来置于系统PCB上的外部TVS内置到RS485收发器，这样单独一片AZRS485即可对抗系统级静电放电(IEC 61000-4-2接触放电±15kV)，而不需再接入额外的保护器件。AZRS485为半双工通信方式，即仅利用一条双绞线(总线)即可实现数据的收发。在同一总线上，AZRS485最大可挂接256个RS485收发器。在AZRS485接收端RX的设计上，考虑了RS485标准及失效安全功能(A、B端误接但仍能保证安全)。在不同的共模电压(VCM=-7~12V)下，将接收端RX的临界电压设计在-50mV～-200mV之间，可以使其在符合RS485标准的同时又能够达到失效安全的要求，这样相当适合于智能电表中的使用。

AZRS3082及AZRS3088将防护能力再次大幅提升。除了将原有系统级静电放电防护等级提高到IEC 61000-4-2接触放电±30kV外，还在芯片中内置了强大的雷击防护(IEC 61000-4-5雷击浪涌±30A)。其优越的静态功耗及超低的待机功耗(<1nA)符合目前节能减排的环保政策。因此AZRS3082、AZRS3088是拥有高性能、高稳定性和高安全性的RS485收发器。

当系统设备置于高压环境中时，需要确保使用人员人身安全和对系统设备提供保护，以及在通信总线与逻辑控制器之间进行电气隔离。电气隔离不但可以使操作人员及系统设备免受危险电压威胁，还可以使系统在受到严重干扰和其它系统级噪声存在的情况下实现连续无差错的通信。AZRS485、AZRS3082以及AZRS3088都将RS485前端的保护器件集成到RS485收发器中以提供静电及雷击防护，而AZRS3082-ISO和AZRS3088还将RS485后端与逻辑控制器之间的电气隔离器件集成到RS-485收发器中，如图4所示。