傳統(tǒng)機械式電表只能記錄所消耗的累積用電量，但對于電源實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用戶的月度用電量、功率因數(shù)及分時用電量等信息。將這些信息統(tǒng)一收集到用電信息采集系統(tǒng)集中器中，實時傳送給電力部門，便能使其對電力負(fù)荷進行分析預(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通信線因為一般架設(shè)在室外或沿電纜線進行鋪設(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保護領(lǐng)域所累積的研發(fā)經(jīng)驗，推出了具有抗雷擊保護能力(達(dá)IEC61000-4-5 (8/20μs) ±30A)和系統(tǒng)級靜電放電(ESD)防護能力(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。故雷擊保護措施是智能電表RS-485接口在實際應(yīng)用中必須考慮的問題，同時也是提高系統(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)，而在實際應(yīng)用上這樣的防護卻是不夠的。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，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)計上還必須外加雷擊浪涌保護器件。
目前外加的雷擊浪涌保護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，但其反應(yīng)速度慢，鉗位電壓也很高(約為800V左右)，這些特性使其保護效果大打折扣，常會遇到即使加了放電管，受保護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。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進行全方位保護，又要將其集成到芯片之中一般很難實現(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，從而使得通信線接口A、B端能得到更完整的保護。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保護外，AZRS3082片內(nèi)還內(nèi)置了整體防護，HBM靜電放電保護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。在芯片自我防護方面，AZRS3082的充電器件模型(Charge Device Model，CDM)防護能力高達(dá)2kV，這使得芯片在因制造工藝不良而累積過多電荷時具有強大的自我保護能力。在穩(wěn)定性及可靠性上，AZRS3082具備的閂鎖防護能力高達(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保護的AZRS485、內(nèi)置雷擊浪涌保護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)即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。在同一總線上，AZRS485最大可掛接256個RS485收發(fā)器。在AZRS485接收端RX的設(shè)計上，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)計在-50mV～-200mV之間，可以使其在符合RS485標(biāo)準(zhǔn)的同時又能夠達(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將防護能力再次大幅提升。除了將原有系統(tǒng)級靜電放電防護等級提高到IEC 61000-4-2接觸放電±30kV外，還在芯片中內(nèi)置了強大的雷擊防護(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，需要確保使用人員人身安全和對系統(tǒng)設(shè)備提供保護，以及在通信總線與邏輯控制器之間進行電氣隔離。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現(xiàn)連續(xù)無差錯的通信。AZRS485、AZRS3082以及AZRS3088都將RS485前端的保護器件集成到RS485收發(fā)器中以提供靜電及雷擊防護，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。
|
