一种RS232接口雷击浪涌防护电路及方法、路侧单元与流程

一种rs232接口雷击浪涌防护电路及方法、路侧单元
技术领域
1.本公开涉及通讯技术领域，尤其涉及一种rs232接口雷击浪涌防护电路及方法、路侧单元。


背景技术：

2.c-v2x(cellular vehicle-to-everything，蜂窝车联网)作为车路协同的一种实现技术、能够极大地提升交通运行效率，目前广泛应用于自动驾驶领域。rsu(road side unit，路侧单元)作为c-v2x的重要组成部分安装在路侧杆上，以连接路侧各类设备、传感器及车辆obu(on board unit，车载单元)，实现数据转发通信，开展c-v2x业务。
3.目前行业内rsu产品对外接口一般都包含rs232接口。但rs232接口采取的防护措施表现不一，一种是rsu产品内部或者外部采购搭配了spd(surge protection device，浪涌保护器)或光电隔离保护器做的防护，这种方案成本高，安装不便不美观，且降低了产品设计性和项目开发效率。另一种是集成在rsu电路板的rs232接口防护电路，一般可能包含gdt(gas discharge tube，气体放电管)、tss(thyristor surge suppressors，浪涌抑制晶闸管)、tvs(transient voltage suppressor，瞬态二极管)、压敏电阻等防护器件，但该部分电路设计表现层次不齐，一般问题为雷击浪涌防护等级低或防护不充分导致rsu试验过程或者实际应用通信异常及损坏。
4.现有技术中，rs232接口雷击浪涌防护电路存在以下问题：
5.第一，采购搭配spd不仅增加了项目成本，而且可能会因为设计者不清楚spd内部具体电路设计或spd参数不够真实导致emc(emc测试指的是对电子产品在电磁场方面干扰大小和抗干扰能力的综合评定)相关问题发生，比如辐射骚扰。严重的可能选型匹配不当导致rs232通信异常，而且防护效果层次不齐。
6.第二，若一级防护采用tss半导体放电管搭配后级电路防护则不如一级防护采用gdt气体放电管防护等级高；gdt搭配压敏电阻作为rs232接口一级防护则会占用板级空间和成本，且效果和gdt基本一样。
7.第三，一般做法为一级防护采用气体放电管，二级防护采用tvs管或者静电防护管，两级之间信号线串联限流电阻或者ptc热敏电阻。但雷击浪涌测试需要应对多次微秒级短时高压大电流循环。不串联电阻基本后级电路在等级4雷击浪涌测试时会击穿损坏后级电流，同样串联电阻的方案会因电阻功率不够导致击穿损坏，而采用串联ptc热敏电阻的效果也无法满足高等级雷击浪涌测试，因为满足功率的ptc反应时间最小也在百毫秒级，因反应时间不够导致起不到限流作用而进一步导致后级电路击穿损坏。
8.第四，一般rsu的接地线外壳地和设备gnd之间会做隔离，但rs232为非对称线，数据收发端需要参考gnd线回流，因此，参考gnd线需要防护，现有方案中，参考gnd直连pe地，或者参考gnd线与设备gnd没有直连，进而没有低阻抗的gnd回流，可能导致信号无法长距离传输。现有方案或者雷击浪涌试验不对参考gnd线做测试，但这样的话无法满足实际应用场景。


技术实现要素：

9.为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开的实施例提供了一种rs232接口雷击浪涌防护电路及方法、路侧单元。
10.第一方面，本公开的实施例提供了一种rs232接口雷击浪涌防护电路，包括rs232接口和rs232芯片，所述电路还包括：
11.第一防护器件，其设置于rs232接口的数据收发端与pe之间，所述第一防护器件用于对rs232芯片的数据收发端执行第一级雷击浪涌防护；
12.第二防护器件，其设置于rs232接口的数据收发端与rs232芯片的数据收发端之间，所述第二防护器件用于对rs232芯片的数据收发端执行第二级雷击浪涌防护；
13.第三防护器件，其设置于rs232接口的数据收发端与内部受保护地之间，所述第三防护器件用于对rs232芯片的数据收发端执行第三级雷击浪涌防护；
14.第四防护器件，其设置于rs232接口的接地端与pe之间，其中，所述第四防护器件用于对内部受保护地执行第一级雷击浪涌防护；
15.第五防护器件，其设置于rs232接口的接地端与内部受保护地之间，其中，所述第五防护器件用于对内部受保护地执行第二级雷击浪涌防护。
16.在一种可能的实施方式中，所述第二防护器件为瞬态阻断单元，所述第四防护器件为并联放电防护器件，所述第五防护器件为瞬态阻断单元。
17.在一种可能的实施方式中，所述第三防护器件为三端瞬态二极管。
18.在一种可能的实施方式中，所述第三防护器件为三端静电阻抗器。
19.在一种可能的实施方式中，所述并联放电防护器件为以下任意一种电路：两极气体放电管与4kv 1nf电容的并联电路、两极气体放电管与瞬态二极管的并联电路、浪涌抑制晶闸管与4kv 1nf电容的并联电路、浪涌抑制晶闸管与瞬态二极管的并联电路、晶闸管电涌保护器与4kv 1nf电容的并联电路、晶闸管电涌保护器与瞬态二极管的并联电路。
20.在一种可能的实施方式中，所述第一防护器件为三极气体放电管器件、两个晶闸管电涌保护器的组合器件和两个浪涌抑制晶闸管的组合器件中的一种器件。
21.在一种可能的实施方式中，所述内部受保护地与地线通过1m电阻并联4kv 1nf电容连接，其中，所述4kv 1nf电容用于建立通高频阻低频路径，所述1m电阻用于泄放静电。
22.在一种可能的实施方式中，所述rs232接口的接地端通过屏蔽线传输rs232信号，其中，所述屏蔽线用于增强rs232信号的抗干扰能力。
23.第二方面，本公开的实施例提供了一种路侧单元，包括上述的rs232接口雷击浪涌防护电路。
24.第三方面，本公开的实施例提供了一种rs232接口雷击浪涌防护方法，应用于上述的rs232接口雷击浪涌防护电路，该电路包括rs232芯片，所述方法包括：
25.利用第一防护器件对rs232芯片的数据收发端执行第一级雷击浪涌防护；
26.利用第二防护器件对rs232芯片的数据收发端执行第二级雷击浪涌防护；
27.利用第三防护器件对rs232芯片的数据收发端执行第三级雷击浪涌防护；
28.利用第四防护器件对内部受保护地执行第一级雷击浪涌防护；
29.利用第五防护器件对内部受保护地执行第二级雷击浪涌防护。
30.本公开实施例提供的上述技术方案与现有技术相比至少具有如下优点的部分或
全部：
31.本公开实施例所述的rs232接口雷击浪涌防护电路，包括rs232接口和rs232芯片，以及第一防护器件，其设置于rs232接口的数据收发端与pe之间，所述第一防护器件用于对rs232芯片的数据收发端执行第一级雷击浪涌防护；第二防护器件，其设置于rs232接口的数据收发端与rs232芯片的数据收发端之间，所述第二防护器件用于对rs232芯片的数据收发端执行第二级雷击浪涌防护；第三防护器件，其设置于rs232接口的数据收发端与内部受保护地之间，所述第三防护器件用于对rs232芯片的数据收发端执行第三级雷击浪涌防护；第四防护器件，其设置于rs232接口的接地端与pe之间，其中，所述第四防护器件用于对内部受保护地执行第一级雷击浪涌防护；第五防护器件，其设置于rs232接口的接地端与内部受保护地之间，其中，所述第五防护器件用于对内部受保护地执行第二级雷击浪涌防护，能够在有效提高rsu的emc防护等级可靠性的同时也大大降低了成本，提高了项目开发及生产组装安装效率。
附图说明
32.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
33.为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1示意性示出了根据本公开实施例的rs232接口雷击浪涌防护电路的结构框图；
35.图2示意性示出了根据本公开实施例的rs232接口雷击浪涌防护方法的示意流程图。
具体实施方式
36.为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
37.为了解决在rsu外部搭配采购spd浪涌保护器，以及增加rsu内部pcba空间和成本的问题，本公开的实施例提供了一种rs232接口雷击浪涌防护电路，在保证rs232长距离通信及rsu正常工作的同时，可防护至少4kv雷击浪涌干扰，emc试验至少能通过ite户外信息技术设备抗扰类eft试验和esd试验等级4要求，以及雷击浪涌surge试验等级4要求。本公开在有效提高了rsu的emc防护等级可靠性的同时也大大降低了成本，提高了项目开发及生产组装安装效率。
38.本公开的实施例提供了一种rs232接口雷击浪涌防护电路，包括rs232接口和rs232芯片，所述电路还包括：
39.第一防护器件，其设置于rs232接口的数据收发端与pe之间，所述第一防护器件用于对rs232芯片的数据收发端执行第一级雷击浪涌防护；
40.第二防护器件，其设置于rs232接口的数据收发端与rs232芯片的数据收发端之
间，所述第二防护器件用于对rs232芯片的数据收发端执行第二级雷击浪涌防护；
41.第三防护器件，其设置于rs232接口的数据收发端与内部受保护地之间，所述第三防护器件用于对rs232芯片的数据收发端执行第三级雷击浪涌防护；
42.第四防护器件，其设置于rs232接口的接地端与pe之间，其中，所述第四防护器件用于对内部受保护地执行第一级雷击浪涌防护；
43.第五防护器件，其设置于rs232接口的接地端与内部受保护地之间，其中，所述第五防护器件用于对内部受保护地执行第二级雷击浪涌防护。
44.参见图1，所述第一防护器件为三极气体放电管，所述第二防护器件为瞬态阻断单元，所述第三防护器件为三端瞬态二极管，所述第四防护器件为并联放电防护器件，所述第五防护器件为瞬态阻断单元。
45.在图1中，所述rs232接口的接地端通过屏蔽线传输rs232信号，其中，所述屏蔽线用于增强rs232信号的抗干扰能力。本实施例中，长距离传输rs232信号采用屏蔽线，以增强信号抗干扰能力，采用屏蔽地编织网连接rs232接口的rs232_gnd脚。在电路设计中，rs232_gnd(rs232接口的接地端)理论上需要和设备gnd直连或通过0欧姆电阻连接，以保证低阻抗完整的rs232信号长距离传输参考地回流，而设备gnd(内部受保护地)是需要受保护的gnd，因此，把rs232_gnd也当作信号线进行防护，类似rs232_rx(rs232接口的数据接收端)和rs232_tx(rs232接口的数据发送端)的防护处理：
46.在本实施例中，rs232信号线上采用直流放电电压较低的三极gdt作为一级差模共模防护，发生雷击浪涌时，gdt两端电压增大，gdt开始电离进入辉光区，gdt通过的电流增大产生雪崩效应，此时gdt进入虚短路状态，gdt两端弧电压近似10v左右，由于gdt从辉光区切换到电弧区时间0.2us左右，所以，经过gdt一级防护后还是会有几十伏的瞬态电压出现，如果没有后级进一步防护将可能会对器件造成攻击伤害，对于rs232信号线的后级防护，可以如下设计：
47.不采用现有技术中电阻或ptc搭配tvs的组合防护方式，因为rs232芯片对这两根信号正常通信也不会超过100ma，而且最多只有esd等级4的防护，无法承受雷击浪涌级别的瞬态大电流。参考雷击浪涌试验里面的4kv等级4要求，普通电阻无法对高等级浪涌大电流做限流，结果要么大封装电阻防护不到位后级电路损坏，要么电阻封装小额定功率不够击穿损坏。而ptc器件在防护500ma过流时反应时间才150ms左右，毫秒级的瞬态响应速度无法应对微秒级的雷击浪涌干扰，因此，采用瞬态响应速度更快、动态性能更好的tbu(transient blocking units)瞬态阻断单元防护器件，作为一个高速高耐压过流保护器件，一旦有瞬态大电流在所串联保护线上发生，tbu可在1us时间内限流到预设值，比如100ma。在瞬变后的剩余时间里，tbu维持在保护阻隔状态，只有1ma左右的电流流过，而rs232信号在1ma的驱动能力下仍可以正常通信。tbu在阻隔保护状态下具有很高的阻抗来阻隔瞬态电流，雷击浪涌过后，tbu恢复到正常低阻抗状态，rs232仍然可以正常工作。采用tbu的另一个优点是其后级的tvs管可以选用小封装器件，比如小封装三端(tvs)esd静电管差模共模防护，既增加了一级esd防护保护后级芯片，又不会因为过流过压击穿三端静电管。
48.rs232_gnd直连线束屏蔽编织网，对于rs232_gnd的防护类似信号线的处理，一级防护采用“并联放电防护器件组合”，后级防护则采用tbu连接rs232_gnd和设备gnd以实现
对浪涌残余电流的瞬态抑制，串联tbu的原因已描述，在此不再赘述。对于“并联放电防护器件组合”包括以下任意一种电路：
49.两极气体放电管与4kv 1nf电容的并联电路、两极气体放电管与瞬态二极管的并联电路、浪涌抑制晶闸管与4kv 1nf电容的并联电路、浪涌抑制晶闸管与瞬态二极管的并联电路、晶闸管电涌保护器与4kv 1nf电容的并联电路、晶闸管电涌保护器与瞬态二极管的并联电路。换句话说，本实施例的并联放电防护器件组合通过两个1812封装或smb封装大小的器件并联连接rs232_gnd和pe大地，以实现多种方式的无需更改pcb的兼容设计。满足1812(smb)封装大小的一级防护设计有多种，比如两极gdt并联4kv 1nf电容、两极gdt并联tvs管、tss半导体放电管并联4kv 1nf电容、tss并联tvs、tisp晶闸管电涌保护器并联4kv 1nf电容、tisp并联tvs等组合方式。一级防护不论是gdt还是tss或者tisp，从高电压区切换到低电压区的短时过程中都会残留一定的电压电流，因此需要高压电容或者tvs管进一步过滤，以降低tbu的负担。
50.在本实施例中，所述内部受保护地与地线通过1m电阻并联4kv 1nf电容连接，其中，所述4kv 1nf电容用于建立通高频阻低频路径，所述1m电阻用于泄放静电。值得注意的是，最后pe外壳地和设备gnd之间需要有1m欧姆电阻和4kv的1nf电容并联隔离防护，在防护瞬间雷击浪涌干扰设备gnd之后，在pe(地线)良好接大地的情况下还可以将设备gnd上的静电泄放出去。在rs232_gnd接口处需要尽可能快的对雷击浪涌进行泄放或阻隔，泄放后的钳位电压需要尽可能低，以免影响设备gnd的电平，进而超出rs232的有效信号电平范围，导致rs232通信异常或rsu上的pcba及线路损坏，因此，不采用1m电阻。
51.对于本实施例中的rs232信号线上的共模差模高等级雷击浪涌一级防护器件，可选取直流额定放电电压为90v的gdt三极气体放电管，其瞬态放电电压1kv/us可承受600v，放电电流5ka，一般避雷触发点在300v开始电离进入辉光区。经过这个gdt一级防护后还是会有60v左右的瞬态电压出现，以及10v左右的弧电压，所以需要二级tbu瞬态阻隔单元限流保护，tbu交流有效电压一般可选300v承受能力以及600v瞬态电压承受能力，再搭配三级tvs防护整套体系可防护ite设备高等级的雷击浪涌。对于rs232_gnd的防护，比如可选用tss并联4kv 1nf高压电容组合，可选用低触发电压的smb封装的tss，可应对8
×
20us浪涌波形下的400a瞬态脉冲电流，10
×
1000us下的6kv瞬态浪涌电压，搭配高压电容及串联tbu可完全应对国标17626.5雷击浪涌抗扰度试验户外等级4的要求。
52.在另一实施例中，所述第三防护器件还可以是三端静电阻抗器。
53.在另一实施例中，所述第一防护器件还可以是两个晶闸管电涌保护器的组合器件和两个浪涌抑制晶闸管的组合器件中的一种器件。
54.本公开的实施例还提供了一种路侧单元，包括上述的rs232接口雷击浪涌防护电路。
55.本公开的rs232接口雷击浪涌防护电路能够确保rsu不需要在其外部再搭配采购spd浪涌保护器，也不需要再增加rsu内部pcba空间和成本，在保证rs232长距离通信及rsu正常工作的同时，可防护至少4kv雷击浪涌干扰，emc试验至少能通过ite户外信息技术设备抗扰类eft试验和esd试验等级4要求，以及雷击浪涌surge试验等级4要求，因此，能够在有效提高了rsu的emc防护等级可靠性的同时也大大降低了成本，本公开的电路可靠性高，损坏维修的概率极低；避免或减少了插件物料的使用，提高生产效率；气体放电管采用方形物
料，而非常规圆柱形物料，避免生产过程物料滚动位移；防护足够，无需再组装搭配外部防护设备，并规范减小pcba空间设计，提高生产效率，因此，提高了项目开发及生产组装的安装效率。参见图2，本公开的实施例还提供了一种rs232接口雷击浪涌防护方法，应用于上述的rs232接口雷击浪涌防护电路，该电路包括rs232芯片，所述方法包括：
56.s1，利用第一防护器件对rs232芯片的数据收发端执行第一级雷击浪涌防护；
57.s2，利用第二防护器件对rs232芯片的数据收发端执行第二级雷击浪涌防护；
58.s3，利用第三防护器件对rs232芯片的数据收发端执行第三级雷击浪涌防护；
59.s4，利用第四防护器件对内部受保护地执行第一级雷击浪涌防护；
60.s5，利用第五防护器件对内部受保护地执行第二级雷击浪涌防护。
61.对于方法实施例而言，由于其基本对应于装置实施例，所以相关之处参见装置实施例的部分说明即可。以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部步骤来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
62.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
63.以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。