关于RS485防雷保护中的接地问题分析

防雷保护中有差模保护和共模保护，共模保护时涉及到接地的问题，前端GDT（陶瓷放电管）接地，TVS（瞬态抑制二极管）接地，还有后端电路的系统地，这三者之间不同的接地方式，对后端电路的保护可能会有影响，本文就是关于这个接地问题的实验与分析，了解这些接地方案对后端电路的影响情况。大地有时会出现异常电压，这时候系统与大地的隔离与否会影响到系统的正常工作，接地问题需要工程师认真对待。

第一级GDT（陶瓷放电管）用作大电流的泄放，第二级的TVS箝位电压（单个TVS作差模保护，两个串联TVS作共模保护），中间用保险丝退耦，后端为485芯片。由于TVS共模保护是要保护后面的电路或者芯片，所以TVS的地和后端电路的信号地是连接在一起的，这样才有保护意义。这四种方案的保护等级：可通过IEC61000-4-5；4级标准:1.2/50us4KV , 10/700us6KV。根据三者不同的接地组合方式，可以把接地分成四种情况(以下四种都是基于共模保护时的情况)。

一．四种接地方案电路原理图

下面就是四种接地方案的电路原理图，GDT（陶瓷放电管）接地，TVS（瞬态抑制二极管）接地，后端电路的是信号地，大家从图中可以很方便的看到接地的情形。

二． 关于上面四种方案的测试数据

在1.2/50US波形4KV，做共模雷击，测试的残压为如图CD两端的电压，数据如下表所示。

接地情况	测试条件	共模残压（CD两端）	测试结果
图一 GDT接地，TVS与信号地相连不接大地	1.2/50US4KV间隔60S	正向18.2V19.6V 负向18.8V19.2V	TVS OK 485芯片OK
图二 GDT接地，TVS与信号地相连接大地	1.2/50US4KV间隔60S	正向17.2V16.6V 负向16.8V16.2V	TVS OK 485芯片OK
图三 GDT，TVS与信号地三者相连接大地	1.2/50US4KV间隔60S	正向20.6V19.8V 负向20.0V19.4V	TVS OK 485芯片OK
图四 GDT接地，TVS与信号地相连再串GDT接大地	1.2/50US4KV间隔60S	正向17.6V17.2V 负向18.4V17.8V	TVS OK 485芯片OK

三．对几种方案和实验数据的分析

从表格的测试数据中可以看到，方案一共模残压（CD两端）比方案二和方案四要略高，当接地状况不良好的时候,由于后端与大地之间进行了隔离，这时候对芯片的影响很小，跟第四种方案差不多，不过这种方案比第三种和第四种节约了成本；但是当大地状况良好的时候，第二种接地方案比第一种要好。当大地电压出现高电压，或者电力线接触到外壳引起大地电压升高，这时候需要良好的接地隔离。所以当不清楚大地是否良好的时候，选择第一种方案比第二种方案要好。

方案二的残压比第四种的残压要稍微低点，当接地良好的时候选用第二种比较好；如果接地情况不良，从地面过来的地反击电压很容易造成后端电路的异常；从前端过来的大电流大电压，GDT与TVS组成回路，也可能与从后端电路组成回路，这个时候就要看后面芯片的耐压。经过测试，一般485芯片的耐压是40V到50V，不同厂家的芯片质量也不尽相同，耐压有高有低。当地电压超过芯片的耐压值，芯片会被打死。可以看出方案二稳定性不够好。

方案三前后一起加GDT（陶瓷放电管）再接大地，这种方案跟方案二相比，残压高些。当浪涌从前端过来，要经过两个陶瓷放电管放电才会将大电流泄放到大地，而且此时的电流很可能直接流向后端电路，而不是通过第二个陶瓷泄放到大地，当能量过大，芯片会被打死。当大地电压没有超过接地陶瓷放电管击穿电压的时候，对后端芯片可以起到保护作用，与第二种方案相比，增加了一个陶瓷放电管，很显然这种方案不合理化，进而设计方案四的电路。

方案四共模残压不高，后端电路与地面进行了隔离，大地状况的好坏与否对其影响不大，选这种相对第二种要好些。前端陶瓷放电管直接接地，将大电流直接泄放到大地，后端TVS起第二级保护，保护效果不错。与第一种方案相比，方案四的成本有所增加，但残压比方案一要低；与第二种方案相比，稳定性比它要好；与第三种相比较，它减少了从前端过来的电流的路径，从而很好地保护了后端的电路或者芯片。

总结：一个方案的保护效果，残压高低，保护成本，应用环境，都是工程师需要慎重考虑的问题。