【導(dǎo)讀 】RS-485接口鏈路需要在惡劣電磁環(huán)境下工作，雷擊、靜電放電和其他電磁現(xiàn)象引起的大瞬變電壓可能損壞通信端口。本文介紹各主要瞬變類型，并針對RS-485通信端口的三種不同成本/保護(hù)級別，提出并演示三種不同的EMC兼容解決方案。
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瞬變保護(hù)
設(shè)計瞬變保護(hù)電路時，設(shè)計人員必須考慮以下主要事項：
1、該電路必須防止或限制瞬變引起的損壞，并允許系統(tǒng)恢復(fù)正常工作，性能影響極小。
2、保護(hù)方案應(yīng)當(dāng)非常可靠，足以處理系統(tǒng)在實際應(yīng)用經(jīng)受到的瞬變類型和電壓水平。
3、瞬變時長是一個重要因素。對于長時間瞬變，熱效應(yīng)可能會導(dǎo)致某些保護(hù)方案失效。
4、正常條件下，保護(hù)電路不得干擾系統(tǒng)運(yùn)行。
5、如果保護(hù)電路因為過應(yīng)力而失效，它應(yīng)以保護(hù)系統(tǒng)的方式失效。
圖5顯示一個典型保護(hù)方案，其特征是具有兩重保護(hù)：主保護(hù)和次級保護(hù)。主保護(hù)可將大部分瞬變能量從系統(tǒng)轉(zhuǎn)移開，通常位于系統(tǒng)和環(huán)境之間的接口。它旨在將瞬變分流至地，從而消除大部分能量。
次級保護(hù)的目的是保護(hù)系統(tǒng)各個部件，使其免受主保護(hù)允許通過的任何瞬態(tài)電壓和電流的損壞。它經(jīng)過優(yōu)化，確保能夠抵御殘余瞬變影響，同時允許系統(tǒng)的敏感部分正常工作。主保護(hù)和次級保護(hù)的設(shè)計必須與系統(tǒng)I/O協(xié)同工作，從而最大程度地降低對受保護(hù)電路的壓力，這點(diǎn)很重要。主保護(hù)器件與次級保護(hù)器件之間一般有一個協(xié)調(diào)元件，如電阻或非線性過流保護(hù)器件等，用以確保二者協(xié)同應(yīng)對瞬變。
圖5：保護(hù)方案框圖
RS-485瞬變抑制網(wǎng)絡(luò)
就特性而言，EMC瞬態(tài)事件在時間上會有變化，因此保護(hù)元件必須具有動態(tài)性能，而且其動態(tài)特性需要與受保護(hù)器件的輸入/輸出極相匹配，這樣才能實現(xiàn)成功的EMC設(shè)計。器件數(shù)據(jù)手冊一般只包含直流數(shù)據(jù)，由于動態(tài)擊穿和I/V特性可能與直流值存在很大差異，因此這些數(shù)據(jù)沒有太多價值。必須進(jìn)行精心設(shè)計并確定特性，了解受保護(hù)器件的輸入/輸出級的動態(tài)性能，并且使用保護(hù)元件，才能確保電路達(dá)到EMC標(biāo)準(zhǔn)。
圖6所示電路顯示了三種不同的完整的EMC兼容解決方案。每個解決方案都經(jīng)過獨(dú)立外部EMC兼容性測試公司的認(rèn)證，各方案使用精選的Bourns外部電路保護(hù)元件，針對ADI公司具有增強(qiáng)ESD保護(hù)性能的ADM3485E 3.3 V RS-485收發(fā)器提供不同的成本/保護(hù)級別。所用的Bourns外部電路保護(hù)元件包括瞬態(tài)電壓抑制器(CDSOT23-SM712)、瞬態(tài)閉鎖單元(TBU-CA065-200-WH)、晶閘管電涌保護(hù)器(TISP4240M3BJR-S)和氣體放電管(2038-15-SM-RPLF)。
每種解決方案都經(jīng)過特性測試，確保保護(hù)元件的動態(tài)I/V性能可以保護(hù)ADM3485E RS-485總線引腳的動態(tài)I/V特性，使得ADM3485E輸入/輸出級與外部保護(hù)元件協(xié)同防范瞬變事件。
圖6：三個EMC兼容ADM3485E電路（原理示意圖，未顯示所有連接）
保護(hù)方案1
前面說過，EFT和ESD瞬變具有相似的能量水平，而電涌波形的能量水平則高出三到四個數(shù)量級。針對ESD和EFT的保護(hù)可通過相似方式實現(xiàn)，但針對高電涌級別的保護(hù)解決方案則更為復(fù)雜。第一個解決方案提供四級ESD和EFT保護(hù)及二級電涌保護(hù)。本文描述的所有電涌測試都使用1.2/50 μs波形。
此解決方案使用Bourns公司的CDSOT23-SM712瞬變電壓抑制器(TVS)陣列，它包括兩個雙向TVS二極管，非常適合保護(hù)RS-485系統(tǒng)，過應(yīng)力極小，同時支持RS-485收發(fā)器上的全范圍RS-485信號和共模偏移（–7 V至+12 V）。表1顯示針對ESD、EFT和電涌瞬變的電壓保護(hù)級別。
表1：解決方案1保護(hù)級別
TVS是基于硅的器件。在正常工作條件下，TVS具有很高的對地阻抗；理想情況下它是開路。保護(hù)方法是將瞬態(tài)導(dǎo)致的過壓箝位到電壓限值。這是通過PN結(jié)的低阻抗雪崩擊穿實現(xiàn)的。當(dāng)產(chǎn)生大于TVS的擊穿電壓的瞬態(tài)電壓時，TVS會將瞬態(tài)箝位到小于保護(hù)器件的擊穿電壓的預(yù)定水平。瞬變立即受到箝位（< 1 ns），瞬態(tài)電流從受保護(hù)器件轉(zhuǎn)移至地。
重要的是要確保TVS的擊穿電壓在受保護(hù)引腳的正常工作范圍之外。CDSOT23-SM712的獨(dú)有特性是具有+13.3 V和–7.5 V的非對稱擊穿電壓，與+12 V至–7 V的收發(fā)器共模范圍相匹配，從而提供最佳保護(hù)，同時最大程度減小對ADM3485E RS-485收發(fā)器的過壓應(yīng)力。
圖7：CDSOT23-SM712 I/V特性
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保護(hù)方案2
上一解決方案可提供最高四級ESD和EFT保護(hù)，但只能提供二級電涌保護(hù)。為了提高電涌保護(hù)級別，保護(hù)電路變得更加復(fù)雜。以下保護(hù)方案可以提供最高四級電涌保護(hù)。
CDSOT23-SM712專門針對RS-485數(shù)據(jù)端口設(shè)計。以下兩個電路基于CDSOT23-SM712構(gòu)建，提供更高級別的電路保護(hù)。CDSOT23-SM712提供次級保護(hù)，而TISP4240M3BJR-S提供主保護(hù)。主從保護(hù)器件與過流保護(hù)之間的協(xié)調(diào)通過TBU-CA065-200-WH完成。表2顯示使用此保護(hù)電路的ESD、EFT和電涌瞬變保護(hù)電壓級別。
表2：解決方案2保護(hù)級別
當(dāng)瞬變能量施加于保護(hù)電路時，TVS將會擊穿，通過提供低阻抗的接地路徑來保護(hù)器件。由于電壓和電流較高，還必須通過限制通過的電流來保護(hù)TVS。這可采用瞬態(tài)閉鎖單元(TBU)實現(xiàn)，它是一個主動高速過流保護(hù)元件。此解決方案中的TBU是Bourns TBU-CA065-200-WH。
TBU可阻擋電流，而不是將其分流至地。作為串聯(lián)元件，它會對通過器件的電流做出反應(yīng)，而不是對接口兩端的電壓做出反應(yīng)。TBU是一個高速過流保護(hù)元件，具有預(yù)設(shè)電流限值和耐高壓能力。當(dāng)發(fā)生過流，TVS由于瞬態(tài)事件擊穿時，TBU中的電流將升至器件設(shè)置的限流水平。此時，TBU會在不足1 μs時間內(nèi)將受保護(hù)電路與電涌斷開。在瞬變的剩余時間內(nèi)，TBU保持在受保護(hù)阻隔狀態(tài)，只有極小的電流(<1 mA)通過受保護(hù)電路。在正常工作條件下，TBU具有低阻抗，因此它對正常電路工作的影響很小。在阻隔模式下，它具有很高的阻抗以阻隔瞬變能量。在瞬態(tài)事件后，TBU自動復(fù)位至低阻抗?fàn)顟B(tài)，允許系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。
與所有過流保護(hù)技術(shù)相同，TBU具有最大擊穿電壓，因此主保護(hù)器件必須箝位電壓，并將瞬變能量重新引導(dǎo)至地。這通常使用氣體放電管或固態(tài)晶閘管等技術(shù)實現(xiàn)，例如完全集成電涌保護(hù)器(TISP)。TISP充當(dāng)主保護(hù)器件。當(dāng)超過其預(yù)定義保護(hù)電壓時，它提供瞬態(tài)開路低阻抗接地路徑，從而將大部分瞬變能量從系統(tǒng)和其他保護(hù)器件轉(zhuǎn)移開。
TISP的非線性電壓-電流特性通過轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的電流來限制過壓。作為晶閘管，TISP具有非連續(xù)電壓-電流特性，它是由于高電壓區(qū)和低電壓區(qū)之間的切換動作而導(dǎo)致的。圖8顯示了器件的電壓-電流特性。在TISP器件切換到低電壓狀態(tài)之前，它具有低阻抗接地路徑以分流瞬變能量，雪崩擊穿區(qū)域則導(dǎo)致了箝位動作。在限制過壓的過程中，受保護(hù)電路短暫暴露在高壓下，因而在切換到低壓保護(hù)導(dǎo)通狀態(tài)之前，TISP器件處在擊穿區(qū)域。TBU將保護(hù)下游電路，防止由于這種高電壓導(dǎo)致的高電流造成損壞。當(dāng)轉(zhuǎn)移電流降低到臨界值以下時，TISP器件自動復(fù)位，以便恢復(fù)正常系統(tǒng)運(yùn)行。
如上所述，所有三個器件與系統(tǒng)I/O協(xié)同工作來保護(hù)系統(tǒng)免受高電壓和電流瞬變影響。
圖8：TISP切換特性和電壓限制波形
保護(hù)方案3
常常需要四級以上的電涌保護(hù)。此保護(hù)方案可保護(hù)RS-485端口免受最高6 kV電涌瞬變的影響。它的工作方式類似于保護(hù)解決方案2，但此電路采用氣體放電管(GDT)取代TISP來保護(hù)TBU，進(jìn)而保護(hù)次級保護(hù)器件TVS。GDT將針對高于前一種保護(hù)機(jī)制中所述TISP的過壓和過流應(yīng)力提供保護(hù)。此保護(hù)方案的GDT是Bourns公司的2038-15-SM-RPLF。TISP額定電流為220 A，而GDT每個導(dǎo)體的額定電流為5 kA。表3顯示此設(shè)計提供的保護(hù)級別。
表3：解決方案3保護(hù)級別
GDT主要用作主保護(hù)器件，提供低阻抗接地路徑以防止過壓瞬變。當(dāng)瞬態(tài)電壓達(dá)到GDT火花放電電壓時，GDT將從高阻抗關(guān)閉狀態(tài)切換到電弧模式。在電弧模式下，GDT成為虛擬短路，提供瞬態(tài)開路電流接地路徑，將瞬態(tài)電流從受保護(hù)器件上轉(zhuǎn)移開。
圖9顯示GDT的典型特性。當(dāng)GDT兩端的電壓增大時，放電管中的氣體由于產(chǎn)生的電荷開始電離。這稱為輝光區(qū)。在此區(qū)域中，增加的電流將產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，將GDT轉(zhuǎn)換為虛擬短路，允許電流通過器件。在短路事件中，器件兩端產(chǎn)生的電壓稱為弧電壓。輝光區(qū)和電弧區(qū)之間的轉(zhuǎn)換時間主要取決于器件的物理特性。
圖9：GDT特性波形
結(jié)論
本文說明了處理瞬變抗擾度的三種IEC標(biāo)準(zhǔn)。在實際工業(yè)應(yīng)用中，RS-485通信端口遇到這些瞬變時可能遭到損壞。EMC問題如果是在產(chǎn)品設(shè)計周期后期才發(fā)現(xiàn)，可能需要重新設(shè)計，導(dǎo)致計劃延遲，代價巨大。因此，EMC問題應(yīng)在設(shè)計周期開始時就予以考慮，否則可能后悔莫及，無法實現(xiàn)所需的EMC性能。
在設(shè)計面向RS-485網(wǎng)絡(luò)的EMC兼容解決方案時，主要難題是讓外部保護(hù)元件的動態(tài)性能與RS-485器件輸入/輸出結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能相匹配。
本文介紹了適用于RS-485通信端口的三種不同EMC兼容解決方案，設(shè)計人員可按照所需的保護(hù)級別選擇保護(hù)方案。EVAL-CN0313-SDPZ是業(yè)界首個EMC兼容RS-485客戶設(shè)計工具，針對ESD、EFT和電涌提供最高四級保護(hù)。表4總結(jié)了不同保護(hù)方案提供的保護(hù)級別。雖然這些設(shè)計工具不能取代所需的系統(tǒng)級嚴(yán)格評估和專業(yè)資質(zhì)，但能夠讓設(shè)計人員在設(shè)計周期早期降低由于EMC問題導(dǎo)致的項目延誤風(fēng)險，從而縮短產(chǎn)品設(shè)計時間和上市時間。欲了解更多信息，請訪問www.analog.com/zh/RS485emc
表4：三種ADM3485E EMC兼容解決方案
