保護(hù)您的RS-485通信網(wǎng)絡(luò)免受有害EMC事件的影響

在實(shí)際的工業(yè)和儀器儀表（I&I）應(yīng)用中，RS-485接口鏈路必須在惡劣的電磁環(huán)境中工作。雷擊、靜電放電和其他電磁現(xiàn)象引起的大瞬態(tài)電壓會(huì)損壞通信端口。為了確保這些數(shù)據(jù)端口能夠在其最終安裝環(huán)境中生存，它們必須滿足某些電磁兼容性 （EMC） 法規(guī)。

這些要求包括三個(gè)主要的瞬態(tài)抗擾度標(biāo)準(zhǔn)：靜電放電、電快速瞬變和浪涌。

許多EMC問(wèn)題并不簡(jiǎn)單或明顯，因此必須在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就加以考慮。將這些考慮因素留到設(shè)計(jì)周期結(jié)束時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致工程預(yù)算和進(jìn)度超支。

本文介紹這些主要的瞬態(tài)類(lèi)型，并介紹和演示三種不同的EMC兼容解決方案，這些解決方案適用于RS-485通信端口上的三種不同的成本/保護(hù)級(jí)別。

ADI公司和Bourns公司合作，共同開(kāi)發(fā)業(yè)界首款符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的RS-485接口設(shè)計(jì)工具，為IEC 4-61000-4 ESD、IEC 2-61000-4 EFT和IEC 4-61000-4浪涌提供高達(dá)5級(jí)保護(hù)級(jí)別，從而擴(kuò)展其面向系統(tǒng)的解決方案。它為設(shè)計(jì)人員提供了取決于所需保護(hù)級(jí)別和可用預(yù)算的設(shè)計(jì)選項(xiàng)。這些設(shè)計(jì)工具允許設(shè)計(jì)人員通過(guò)在設(shè)計(jì)周期開(kāi)始時(shí)考慮EMC問(wèn)題來(lái)降低項(xiàng)目延誤的風(fēng)險(xiǎn)。

RS-485 標(biāo)準(zhǔn)

I&I應(yīng)用需要在多個(gè)系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通常是很長(zhǎng)的距離。RS-485電氣標(biāo)準(zhǔn)是I&I應(yīng)用中使用最廣泛的物理層規(guī)范之一，例如工業(yè)自動(dòng)化，過(guò)程控制，電機(jī)控制和運(yùn)動(dòng)控制;遠(yuǎn)程終端;樓宇自動(dòng)化，如供暖、通風(fēng)和空調(diào) （HVAC）;安全系統(tǒng);可再生能源。

RS-485的一些關(guān)鍵特性使其成為I&I通信應(yīng)用的理想選擇：

長(zhǎng)距離鏈路 — 長(zhǎng)達(dá) 4000 英尺

可通過(guò)單對(duì)雙絞線進(jìn)行雙向通信

差分傳輸提高了共?？箶_度并降低了噪聲排放

可以在同一總線上連接多個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器

寬共模范圍（–7 V至+12 V）允許驅(qū)動(dòng)器和接收器之間的地電位差

TIA/EIA-485-A 允許高達(dá) 10 Mbps 的數(shù)據(jù)速率

TIA/EIA-485-A描述了RS-485接口的物理層，通常與更高級(jí)別的協(xié)議一起使用，例如Profibus，Interbus，Modbus或BACnet。這允許在相對(duì)較長(zhǎng)的距離上進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，雷擊、功率感應(yīng)和直接接觸、電源波動(dòng)、電感開(kāi)關(guān)和靜電放電會(huì)產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電壓，從而損壞RS-485收發(fā)器。設(shè)計(jì)人員必須確保設(shè)備不僅在理想條件下工作，而且在“現(xiàn)實(shí)世界”中也能工作。為了確保這些設(shè)計(jì)能夠在電氣惡劣的環(huán)境中生存，各種政府機(jī)構(gòu)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)都實(shí)施了EMC法規(guī)。遵守這些法規(guī)可為最終用戶提供保證，確保設(shè)計(jì)在這些惡劣環(huán)境中按預(yù)期運(yùn)行。

電磁兼容性

電磁環(huán)境由輻射能和傳導(dǎo)能組成，因此EMC有兩個(gè)方面：發(fā)射和敏感性。因此，EMC具有電子系統(tǒng)在其預(yù)期的電磁環(huán)境中令人滿意地運(yùn)行的能力，而不會(huì)在該環(huán)境中引入無(wú)法容忍的電磁干擾。本文介紹如何提高RS-485端口對(duì)三種主要EMC瞬變的EMC敏感性的保護(hù)級(jí)別。

國(guó)際電工委員會(huì) （IEC） 是世界領(lǐng)先的組織，負(fù)責(zé)制定和發(fā)布所有電氣、電子和相關(guān)技術(shù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。自 1996 年以來(lái)，所有銷(xiāo)往歐洲共同體或在歐洲共同體內(nèi)銷(xiāo)售的電子設(shè)備必須符合 IEC 61000-4-x 規(guī)范中定義的 EMC 水平。

IEC 61000規(guī)范定義了適用于住宅，商業(yè)和輕工業(yè)環(huán)境的電氣和電子設(shè)備的EMC抗擾度要求集。這組規(guī)范包括電子設(shè)計(jì)人員在數(shù)據(jù)通信線路中需要關(guān)注的三種類(lèi)型的高壓瞬變：

IEC 61000-4-2 靜電放電 （ESD）

IEC 61000-4-4 電氣快速瞬變 （EFT）

IEC 61000-4-5 浪涌抗擾度

這些規(guī)范中的每一個(gè)都定義了一種測(cè)試方法，以評(píng)估電子和電氣設(shè)備對(duì)所定義現(xiàn)象的抗擾度。以下各節(jié)總結(jié)了這些測(cè)試中的每一個(gè)。

靜電放電

ESD是由近距離接觸或電場(chǎng)引起的不同電位的物體之間靜電荷的突然轉(zhuǎn)移。它具有短時(shí)間內(nèi)大電流的特點(diǎn)。IEC 61000-4-2測(cè)試的主要目的是確定系統(tǒng)在運(yùn)行期間對(duì)系統(tǒng)外部ESD事件的抗擾度。IEC 61000-4-2描述了使用兩種耦合方法進(jìn)行測(cè)試。這些被稱(chēng)為接觸放電和氣隙放電。接觸放電意味著放電槍和被測(cè)裝置之間的直接接觸。在空氣放電測(cè)試期間，放電槍的帶電電極朝被測(cè)單元移動(dòng)，直到放電以電弧的形式穿過(guò)氣隙。放電槍不與被測(cè)裝置直接接觸。許多因素會(huì)影響空氣放電測(cè)試的結(jié)果和可重復(fù)性，包括濕度、溫度、氣壓、距離和接近被測(cè)單元的速度。這種方法可以更好地表示實(shí)際的ESD事件，但不是可重復(fù)的。因此，接觸放電是首選的測(cè)試方法。

在測(cè)試期間，數(shù)據(jù)端口至少要經(jīng)歷10次正放電和10次負(fù)放電，每個(gè)脈沖之間間隔一秒。測(cè)試電壓的選擇取決于系統(tǒng)終端環(huán)境。最高規(guī)定的測(cè)試是 4 級(jí)，它定義了 ±8 kV 的接觸放電電壓和 ±15 kV 的空氣放電電壓。

圖1顯示了規(guī)范中所述的8 kV接觸放電電流波形。一些關(guān)鍵波形參數(shù)是上升時(shí)間小于1 ns，脈沖寬度約為60 ns。這相當(dāng)于總能量在 10 mJ 范圍內(nèi)的脈沖。

圖1.IEC 61000-4-2 ESD 波形 （8 kV）。

電快速瞬變

電氣快速瞬態(tài)測(cè)試涉及將許多極快的瞬態(tài)脈沖耦合到信號(hào)線上，以表示與電容耦合到通信端口的外部開(kāi)關(guān)電路相關(guān)的瞬態(tài)干擾，其中可能包括繼電器和開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)反彈或由電感或容性負(fù)載開(kāi)關(guān)引起的瞬變 - 所有這些都在工業(yè)環(huán)境中非常常見(jiàn)。IEC 61000-4-4 中定義的 EFT 測(cè)試嘗試模擬這些類(lèi)型的事件產(chǎn)生的干擾。

圖 2 顯示了 EFT 50 Ω負(fù)載波形。EFT 波形描述為輸出阻抗為 50 Ω的發(fā)生器在 50 Ω阻抗上的電壓。輸出波形由 15 ms 突發(fā) 2.5 kHz 至 5 kHz 高壓瞬變組成，以 300 ms 的間隔重復(fù)。每個(gè)脈沖的上升時(shí)間為5 ns，脈沖持續(xù)時(shí)間為50 ns，在波形上升沿和下降沿的50%點(diǎn)之間測(cè)量。單個(gè)EFT脈沖的總能量與ESD脈沖中的總能量相似。單個(gè)脈沖的總能量通常為4 mJ。施加到數(shù)據(jù)端口的電壓可高達(dá)2 kV。

圖2.IEC 61000-4-4 EFT 50 Ω負(fù)載波形。

這些快速突發(fā)瞬變使用電容箝位耦合到通信線路上。EFT 通過(guò)鉗位電容耦合到通信線路上，而不是直接接觸。這也減少了由EFT發(fā)生器的低輸出阻抗引起的負(fù)載。夾具和電纜之間的耦合電容取決于電纜直徑、屏蔽和電纜絕緣。

浪涌瞬變

浪涌瞬變是由開(kāi)關(guān)或雷電瞬變產(chǎn)生的過(guò)電壓引起的。開(kāi)關(guān)瞬變可能是由電源系統(tǒng)開(kāi)關(guān)、配電系統(tǒng)中的負(fù)載變化或各種系統(tǒng)故障（如短路）引起的。雷電瞬變可能是附近雷擊注入電路的高電流和電壓的結(jié)果。IEC 61000-4-5定義了波形，測(cè)試方法和測(cè)試級(jí)別，以評(píng)估對(duì)這些破壞性浪涌的抗擾度。

波形被指定為波形發(fā)生器的開(kāi)路電壓和短路電流的輸出。描述了兩種波形。10/700 μs 組合波形用于測(cè)試用于連接對(duì)稱(chēng)通信線路的端口：例如電話交換線。1.2/50 μs組合波形發(fā)生器用于所有其他情況，特別是短距離信號(hào)連接。對(duì)于RS-485端口，主要使用1.2/50 μs波形，本節(jié)將討論。波形發(fā)生器的有效輸出阻抗為2 Ω;因此，浪涌瞬變具有與之相關(guān)的高電流。

圖3顯示了1.2/50 μs浪涌瞬態(tài)波形。ESD 和 EFT 具有相似的上升時(shí)間、脈沖寬度和能量水平;但是，浪涌脈沖的上升時(shí)間為1.25 μs，脈沖寬度為50 μs。此外，浪涌脈沖能量可以達(dá)到近 90 J，比 ESD 或 EFT 脈沖中的能量大三到四個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，浪涌瞬變被認(rèn)為是最嚴(yán)重的EMC瞬變。由于ESD和EFT之間的相似性，電路保護(hù)的設(shè)計(jì)可以相似，但由于其高能量，浪涌必須以不同的方式處理。這是開(kāi)發(fā)保護(hù)的主要問(wèn)題之一，該保護(hù)可提高數(shù)據(jù)端口對(duì)所有三種瞬變的抗擾度，同時(shí)保持成本效益。

電阻將浪涌瞬變耦合到通信線路上。圖4顯示了半雙工RS-485器件的耦合網(wǎng)絡(luò)。電阻的總平行總和為 40 Ω。對(duì)于半雙工器件，每個(gè)電阻為80 Ω。

在浪涌測(cè)試期間，向數(shù)據(jù)端口施加五個(gè)正脈沖和五個(gè)負(fù)脈沖，每個(gè)脈沖之間的最大時(shí)間間隔為一分鐘。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在測(cè)試期間，設(shè)備應(yīng)設(shè)置為正常運(yùn)行條件。

圖3.IEC 61000-4-5 浪涌 1.2/50 μs 波形。

圖4.半雙工RS-485設(shè)備的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)。

通過(guò)/失敗標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)瞬態(tài)應(yīng)用于被測(cè)系統(tǒng)時(shí)，結(jié)果分為四個(gè)通過(guò)/失敗標(biāo)準(zhǔn)。以下是通過(guò)/未通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)列表，舉例說(shuō)明了每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)與RS-485收發(fā)器的關(guān)系：

正常性能;在應(yīng)用瞬態(tài)期間或之后不會(huì)發(fā)生位錯(cuò)誤

暫時(shí)喪失功能或暫時(shí)降低性能，不需要操作員;在應(yīng)用瞬態(tài)期間和之后的有限時(shí)間內(nèi)可能會(huì)發(fā)生位錯(cuò)誤

需要操作員暫時(shí)喪失功能或性能暫時(shí)下降;可能會(huì)發(fā)生閂鎖事件，該事件可以在上電復(fù)位后移除，而不會(huì)永久喪失功能或降低設(shè)備性能

功能喪失，設(shè)備永久損壞;設(shè)備未通過(guò)測(cè)試

標(biāo)準(zhǔn) A 是最理想的，標(biāo)準(zhǔn) D 是不可接受的。永久性損壞會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)以及維修和更換費(fèi)用。對(duì)于關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)，B類(lèi)和C類(lèi)也是不可接受的，因?yàn)橄到y(tǒng)必須在瞬態(tài)事件期間無(wú)錯(cuò)誤運(yùn)行。

瞬態(tài)保護(hù)

在設(shè)計(jì)電路以防止瞬變時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須考慮幾個(gè)主要事項(xiàng)：

電路必須防止或限制瞬態(tài)造成的損壞，并允許系統(tǒng)恢復(fù)正常工作，同時(shí)將對(duì)性能的影響降至最低。

保護(hù)方案應(yīng)足夠穩(wěn)健，以處理系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)將承受的瞬變類(lèi)型和電壓電平。

與瞬態(tài)相關(guān)的時(shí)間長(zhǎng)度是一個(gè)重要因素。對(duì)于長(zhǎng)瞬態(tài)，加熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致某些保護(hù)方案失效。

在正常情況下，保護(hù)電路不應(yīng)干擾系統(tǒng)運(yùn)行。

如果保護(hù)電路在過(guò)應(yīng)力期間失效，則應(yīng)以保護(hù)系統(tǒng)的方式失效。

圖5顯示了一個(gè)典型的保護(hù)方案，其特征是具有一級(jí)和二級(jí)保護(hù)。將大部分瞬態(tài)能量從系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移出去的主保護(hù)通常位于系統(tǒng)與環(huán)境之間的接口處。它旨在通過(guò)將瞬態(tài)轉(zhuǎn)移到地面來(lái)消除大部分能量。

二級(jí)保護(hù)系統(tǒng)的各個(gè)部分免受初級(jí)保護(hù)允許的任何瞬態(tài)電壓和電流的影響。它經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可確保防止這些殘余瞬變，同時(shí)允許系統(tǒng)的這些敏感部件正常運(yùn)行。必須指定初級(jí)和次級(jí)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)I/O協(xié)同工作，以最大程度地減少受保護(hù)電路上的應(yīng)力。這些設(shè)計(jì)通常在初級(jí)和次級(jí)保護(hù)器件之間包括一個(gè)協(xié)調(diào)元件，例如電阻或非線性過(guò)流保護(hù)裝置，以確保協(xié)調(diào)發(fā)生。

圖5.保護(hù)方案 - 框圖。

RS-485 瞬態(tài)抑制網(wǎng)絡(luò)

從本質(zhì)上講，EMC瞬態(tài)事件隨時(shí)間變化，因此動(dòng)態(tài)性能以及保護(hù)元件的動(dòng)態(tài)特性與受保護(hù)器件的輸入/輸出級(jí)的匹配導(dǎo)致EMC設(shè)計(jì)成功。元件數(shù)據(jù)手冊(cè)通常只包含直流數(shù)據(jù)，鑒于動(dòng)態(tài)擊穿和I/V特性可能與直流值有很大不同，因此其價(jià)值有限。為了確保電路符合EMC標(biāo)準(zhǔn)，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)、表征并了解受保護(hù)器件的輸入/輸出級(jí)和保護(hù)元件的動(dòng)態(tài)性能。

圖6所示電路說(shuō)明了三種不同的完全表征的EMC兼容解決方案。每種解決方案都經(jīng)過(guò)獨(dú)立的外部EMC一致性測(cè)試機(jī)構(gòu)的認(rèn)證，每種解決方案都為ADI公司的ADM3485E 3.3 V RS-485收發(fā)器提供不同的成本/保護(hù)水平，該收發(fā)器采用精選的Bourns外部電路保護(hù)元件，具有增強(qiáng)的ESD保護(hù)功能。Bourns 使用的外部電路保護(hù)組件包括瞬態(tài)電壓抑制器 （CDSOT23-SM712）、瞬態(tài)阻斷單元 （TBU-CA065-200-WH）、晶閘管浪涌保護(hù)器 （TISP4240M3BJR-S） 和氣體放電管 （2038-15-SM-RPLF）。

每種解決方案的特性都確保保護(hù)元件的動(dòng)態(tài)I/V性能能夠保護(hù)ADM3485E RS-485總線引腳的動(dòng)態(tài)I/V特性，從而使ADM3485E的輸入/輸出級(jí)與外部保護(hù)元件之間的相互作用共同發(fā)揮作用，從而防止瞬態(tài)事件。

圖6.三個(gè)符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的ADM3485E電路（原理示意圖，未顯示所有連接）。

保護(hù)方案1

如前所述，EFT 和 ESD 瞬變具有相似的能量水平，而浪涌波形的能量水平要高出三到四個(gè)數(shù)量級(jí)。ESD和EFT防護(hù)以類(lèi)似的方式完成，但防止高電平或浪涌需要更復(fù)雜的解決方案。此處介紹的第一個(gè)解決方案可保護(hù)高達(dá) 4 級(jí) ESD 和 EFT 以及 2 級(jí)浪涌。1.2/50 μs波形用于本文所述的所有浪涌測(cè)試。

該解決方案采用 Bourns CDSOT23-SM712 瞬態(tài)電壓抑制器 （TVS） 陣列，該陣列由兩個(gè)雙向 TVS 二極管組成，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可在 RS-485 收發(fā)器上以最小的過(guò)應(yīng)力保護(hù) RS-485 系統(tǒng)，同時(shí)允許 RS-7 收發(fā)器上的全范圍 RS-12 信號(hào)和共模偏移（–485 V 至 +1 V）。表<>顯示了針對(duì)ESD、EFT和浪涌瞬變保護(hù)的電壓電平。

表 1.解決方案 1 保護(hù)級(jí)別

TVS是一種基于硅的設(shè)備。在正常工作條件下，TVS對(duì)地阻抗高;理想情況下，它是一個(gè)開(kāi)路。保護(hù)是通過(guò)將過(guò)壓從瞬態(tài)箝位到電壓限值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這是通過(guò)PN結(jié)的低阻抗雪崩擊穿完成的。當(dāng)產(chǎn)生大于TVS擊穿電壓的瞬態(tài)電壓時(shí)，TVS將瞬態(tài)鉗位到小于其所保護(hù)設(shè)備的擊穿電壓的預(yù)定水平。瞬態(tài)瞬態(tài)被瞬時(shí)箝位（<1 ns），瞬態(tài)電流從受保護(hù)器件轉(zhuǎn)移到地。

確保TVS的擊穿電壓超出受保護(hù)引腳的正常工作范圍非常重要。CDSOT23-SM712的獨(dú)特之處在于，它具有+13.3 V和–7.5 V的不對(duì)稱(chēng)擊穿電壓，以匹配+12 V至–7 V的收發(fā)器共模范圍，從而提供最佳保護(hù)，同時(shí)最大限度地降低ADM3485E RS-485收發(fā)器上的過(guò)壓應(yīng)力。

圖7.CDSOT23-SM712 I/V 特性。

保護(hù)方案2

以前的解決方案可保護(hù)高達(dá) 4 級(jí) ESD 和 EFT，但只能保護(hù) 2 級(jí)浪涌。為了提高浪涌保護(hù)水平，保護(hù)電路變得更加復(fù)雜。以下保護(hù)方案將保護(hù)高達(dá) 4 級(jí)的浪涌。

CDSOT23-SM712 專(zhuān)為 RS-485 數(shù)據(jù)端口而設(shè)計(jì)。接下來(lái)的兩個(gè)電路基于 CDSOT23-SM712 構(gòu)建，以提供更高水平的電路保護(hù)。CDSOT23-SM712 提供二級(jí)保護(hù)，而 TISP4240M3BJR-S 提供一級(jí)保護(hù)。初級(jí)和次級(jí)保護(hù)器件之間的協(xié)調(diào)以及過(guò)流保護(hù)使用 TBU-CA065-200-WH 完成。表2顯示了使用該保護(hù)電路保護(hù)ESD、EFT和浪涌瞬變的電壓電平。

表 2.解決方案 2 保護(hù)級(jí)別

當(dāng)對(duì)保護(hù)電路施加瞬態(tài)時(shí)，TVS將擊穿，通過(guò)提供低阻抗接地路徑來(lái)保護(hù)器件。對(duì)于大電壓和電流，還必須通過(guò)限制通過(guò)TVS的電流來(lái)保護(hù)TVS。這是使用瞬態(tài)阻斷單元（TBU）完成的，TBU是一種有源高速過(guò)流保護(hù)元件。此解決方案中的 TBU 是 Bourns TBU-CA065-200-WH。

TBU 阻斷電流，而不是將其分流到地。作為串聯(lián)元件，它對(duì)通過(guò)器件的電流做出反應(yīng)，而不是對(duì)接口上的電壓做出反應(yīng)。TBU是一種高速過(guò)流保護(hù)元件，具有預(yù)設(shè)的電流限制和高耐壓能力。當(dāng)發(fā)生過(guò)電流并且TVS因瞬態(tài)事件而擊穿時(shí)，TBU中的電流將上升到器件設(shè)置的電流限制水平。此時(shí)，TBU在不到1 μs的時(shí)間內(nèi)斷開(kāi)受保護(hù)電路與浪涌的連接。在瞬變的其余部分，TBU保持受保護(hù)的阻斷狀態(tài)，極低的電流（<1 mA）通過(guò)受保護(hù)電路。在正常工作條件下，TBU表現(xiàn)出低阻抗，因此對(duì)正常電路操作的影響最小。在阻塞模式下，它具有非常高的阻抗來(lái)阻擋瞬態(tài)能量。瞬態(tài)事件發(fā)生后，TBU 會(huì)自動(dòng)復(fù)位到其低阻抗?fàn)顟B(tài)，并允許恢復(fù)正常的系統(tǒng)操作。

與所有過(guò)流保護(hù)技術(shù)一樣，TBU具有最大擊穿電壓，因此初級(jí)保護(hù)器件必須箝位電壓并將瞬態(tài)能量重定向到地。這通常使用氣體放電管或固態(tài)晶閘管等技術(shù)來(lái)完成，例如完全集成的電涌保護(hù)器（TISP）。TISP 充當(dāng)主要保護(hù)設(shè)備。當(dāng)超過(guò)其預(yù)定義的保護(hù)電壓時(shí)，它提供一條撬棍低阻抗接地路徑，從而將大部分瞬態(tài)能量從系統(tǒng)和其他保護(hù)器件轉(zhuǎn)移出去。

TISP的非線性電壓-電流特性通過(guò)轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的電流來(lái)限制過(guò)電壓。作為晶閘管，TISP具有由高壓和低壓區(qū)域之間的開(kāi)關(guān)動(dòng)作引起的不連續(xù)電壓-電流特性。圖8顯示了該器件的電壓電流特性。在TISP器件切換到低電壓狀態(tài)之前，低阻抗接地以分流瞬態(tài)能量，由雪崩擊穿區(qū)域引起箝位動(dòng)作。在限制過(guò)壓時(shí)，受保護(hù)電路將在TISP器件處于擊穿區(qū)域的短時(shí)間內(nèi)暴露在高壓下，然后才切換到低壓保護(hù)導(dǎo)通狀態(tài)。TBU將保護(hù)下游電路免受這種高電壓產(chǎn)生的高電流的影響。當(dāng)轉(zhuǎn)移電流降至臨界值以下時(shí)，TISP器件會(huì)自動(dòng)復(fù)位，從而恢復(fù)正常的系統(tǒng)操作。

如上所述，所有三個(gè)組件與系統(tǒng)I/O協(xié)同工作，以保護(hù)系統(tǒng)免受高壓和電流瞬變的影響。

圖8.TISP開(kāi)關(guān)特性和限壓波形。

保護(hù)方案3

通常需要高于 4 級(jí)浪涌的保護(hù)級(jí)別。該保護(hù)方案將保護(hù)RS-485端口，最高可達(dá)6 kV浪涌瞬變。它的工作方式與保護(hù)方案2類(lèi)似，但在此電路中，使用氣體放電管（GDT）代替TISP來(lái)保護(hù)TBU，而TBU又保護(hù)輔助保護(hù)裝置TVS。GDT將提供比先前保護(hù)方案中描述的TISP更高的過(guò)壓和過(guò)流應(yīng)力保護(hù)。此保護(hù)方案的GDT是Bourns 2038-15-SM-RPLF。TISP 的額定電流為 220 安培，而 GDT 額定電流為每根導(dǎo)線 5 kA。表 3 顯示了此設(shè)計(jì)提供的保護(hù)級(jí)別。

表 3.解決方案 3 保護(hù)級(jí)別

GDT主要用作初級(jí)保護(hù)器件，提供低阻抗接地路徑，以防止過(guò)壓瞬變。當(dāng)瞬態(tài)電壓達(dá)到GDT火花放電電壓時(shí)，GDT將從高阻抗關(guān)斷狀態(tài)切換到電弧模式。在電弧模式下，GDT變?yōu)樘摂M短路，提供一條撬棍電流路徑到地，并將瞬態(tài)電流從受保護(hù)器件轉(zhuǎn)移開(kāi)。

圖9顯示了GDT的典型特性。當(dāng)GDT兩端的電壓增加時(shí)，由于管子上產(chǎn)生的電荷，管中的氣體開(kāi)始電離。這稱(chēng)為發(fā)光區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域，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(guò)器件。在短路事件期間，器件兩端產(chǎn)生的電壓稱(chēng)為電弧電壓。輝光和電弧區(qū)域之間的過(guò)渡時(shí)間高度依賴(lài)于器件的物理特性。

圖9.GDT特性波形。

結(jié)論

本文介紹了處理瞬態(tài)抗擾度的三個(gè)感興趣的IEC標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，受到這些瞬變影響的RS-485通信端口可能會(huì)損壞。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期后期發(fā)現(xiàn)的EMC問(wèn)題可能需要昂貴的重新設(shè)計(jì)，并且通常會(huì)導(dǎo)致進(jìn)度超支。因此，EMC問(wèn)題應(yīng)該在設(shè)計(jì)周期開(kāi)始時(shí)考慮，而不是在以后的階段考慮，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)所需的EMC性能可能為時(shí)已晚。

為RS-485網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)EMC兼容解決方案的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是將外部保護(hù)組件的動(dòng)態(tài)性能與RS-485器件輸入/輸出結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能相匹配

本文演示了針對(duì)RS-485通信端口的三種不同的EMC兼容解決方案，根據(jù)所需的保護(hù)級(jí)別為設(shè)計(jì)人員提供了選擇。EVAL-CN0313-SDPZ 是業(yè)界首款符合 EMC 標(biāo)準(zhǔn)的 RS-485 客戶設(shè)計(jì)工具，可為 ESD、EFT 和浪涌提供高達(dá) 4 級(jí)的保護(hù)級(jí)別。表 4 總結(jié)了不同保護(hù)方案提供的保護(hù)級(jí)別。雖然這些設(shè)計(jì)工具不能取代系統(tǒng)級(jí)所需的盡職調(diào)查或資格認(rèn)證，但它們?cè)试S設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)周期開(kāi)始時(shí)降低由于EMC問(wèn)題而導(dǎo)致項(xiàng)目延誤的風(fēng)險(xiǎn)，從而縮短設(shè)計(jì)時(shí)間和上市時(shí)間。

審核編輯：郭婷