三個(gè)經(jīng)典的RS-485端口EMC防護(hù)方案詳解

在實(shí)際的工業(yè)、電力、自動(dòng)化及儀器儀表應(yīng)用中，RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)是使用最廣泛的物理層總線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之一，由于其會(huì)在惡劣電磁環(huán)境下工作，為了確保這些數(shù)據(jù)端口能夠在最終安裝環(huán)境中正常工作，它們必須符合相關(guān)的電磁兼容性（EMC）法規(guī)。在本文中，世健公司結(jié)合優(yōu)勢(shì)的代理線ADI（ RS-485芯片）、Bourns（在端口EMC防護(hù)方面的器件），從原理分析到實(shí)測(cè)來(lái)為大家?guī)?lái)詳細(xì)的RS485的端口防護(hù)分析。

在RS-485端口的EMC設(shè)計(jì)中，我們需要重點(diǎn)考慮三個(gè)因素：靜電放電（ESD）、電快速瞬變（EFT）和浪涌（Surge）。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）規(guī)范定義了一組EMC抗擾度要求，這組規(guī)范包括以下三種類(lèi)型的高電壓瞬變，設(shè)計(jì)人員需要確保數(shù)據(jù)通信線路不受這些瞬變的損害。這三種類(lèi)型分別是：

· IEC 61000-4-2靜電放電（ESD）

· IEC 61000-4-4電快速瞬變（EFT）

· IEC 61000-4-5浪涌抗擾度（Surge）

Excelpoint世健公司技術(shù)支持部副總監(jiān)Angus Zhao說(shuō)：“RS-485端口的保護(hù)方案就是要設(shè)法去滿足ESD、EFT、Surge這三種規(guī)范的要求。所以想要設(shè)計(jì)出合規(guī)的RS-485端口EMC方案，首先就要透徹了解這三個(gè)規(guī)范?！眹?guó)內(nèi)針對(duì)IEC標(biāo)準(zhǔn)也有同樣的等同標(biāo)準(zhǔn)可以參考，比如在電力及輸配電應(yīng)用中，很多采用了GB/T17626.2 ESD， GB/T17626.4 EFT， GB/T17626.5 Surge的對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，本文以IEC標(biāo)準(zhǔn)為例說(shuō)明。

靜電放電

靜電放電（ESD）是指兩個(gè)電位不同的帶電體之間因?yàn)榻佑|或電場(chǎng)的傳導(dǎo)而突然產(chǎn)生靜電電荷的傳輸。其特性是在較短的時(shí)間內(nèi)有較大的電流。IEC 61000-4-2測(cè)試的主要目，就是確定系統(tǒng)在工作過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)外部ESD事件的抗擾度。IEC 61000-4-2規(guī)定了不同環(huán)境狀況下的電壓測(cè)試級(jí)別，共分4個(gè)級(jí)別。1級(jí)最輕微，4級(jí)最嚴(yán)重。1級(jí)和2級(jí)適合擁有防靜電材料的 受控環(huán)境中安裝的產(chǎn)品。3級(jí)和4級(jí)適合情況更嚴(yán)重的環(huán)境中安裝的產(chǎn)品，這類(lèi)環(huán)境下更常發(fā)生帶有較高電壓的ESD事件。

圖1:ESD 特性曲線

圖2:IEC 61000-4-2 ESD測(cè)試級(jí)別和安裝類(lèi)別

電快速瞬變（脈沖群）

電快速瞬變（EFT）測(cè)試的是，將大量極快的瞬變脈沖耦合到信號(hào)線上，系統(tǒng)與外部開(kāi)關(guān)電路關(guān)聯(lián)的瞬變干擾，這類(lèi)電路能夠以容性方式耦合至通信端口。EFT的纏上包括繼電器和開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)抖動(dòng)，或者因?yàn)楦行曰蛉菪载?fù)載切換而產(chǎn)生的瞬變， 而所有這些在工業(yè)環(huán)境中都很常見(jiàn)。EC 61000-4-4中定義的 EFT測(cè)試，就是去模擬這些事件產(chǎn)生的干擾。

圖3：EFT特性曲線

IEC 61000-4-4規(guī)定了不同環(huán)境狀況下的電壓測(cè)試級(jí)別，分為4級(jí)。同時(shí)規(guī)定了不同測(cè)試級(jí)別對(duì)應(yīng)的測(cè)試電壓和脈沖重復(fù)速率。

· 1級(jí) 表示保護(hù)措施很好的環(huán)境

· 2級(jí) 表示受保護(hù)的環(huán)境

· 3級(jí) 表示典型的工業(yè)環(huán)境

· 4級(jí) 表示惡劣的工業(yè)環(huán)境

圖4：IEC 61000-4-4 EFT 測(cè)試級(jí)別

浪涌（Surge）

浪涌通常由開(kāi)關(guān)操作造成的過(guò)壓情況或雷擊造成。開(kāi)關(guān)瞬變的起因可能是電力系統(tǒng)切換、配電系統(tǒng)中的負(fù)載變化或各種系統(tǒng)故障。雷擊瞬變的起因可能是附近的雷擊導(dǎo)致向電路中注入了較大的電流和電壓。IEC 61000-4-5定義了在容易受到這些浪涌現(xiàn)象影響的情況下用于評(píng)估電子電氣設(shè)備抗擾度的波形、測(cè)試方法和測(cè)試級(jí)別。

圖5：Surge特性曲線

浪涌的能量級(jí)別可以達(dá)到ESD或EFT脈沖能量級(jí)別的三到四個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，浪涌可以視作是EMC瞬變規(guī)范中最嚴(yán)重的一種。 由于ESD和EFT之間的相似性，相應(yīng)的電路保護(hù)設(shè)計(jì)也很相似，但是由于浪涌的能量大，因此必須采取不同的處理方式。

Excelpoint世健公司技術(shù)支持部副總監(jiān)Angus Zhao說(shuō)：“開(kāi)發(fā)EMC保護(hù)電路的過(guò)程，就是要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)景，達(dá)到相應(yīng)的上述三種瞬變的抗擾度的規(guī)范要求，同時(shí)又要保證成本效益。這看似復(fù)雜的工作，實(shí)際上有它自己的原則和套路可循?！?/p>

RS-485端口EMC方案相應(yīng)的規(guī)范要求實(shí)際上就是保護(hù)電路設(shè)計(jì)需要達(dá)到的目標(biāo)。為了達(dá)成這樣的目標(biāo)，自有其設(shè)計(jì)原則：

針對(duì)瞬變提供保護(hù)，主要有兩種方式：過(guò)流保護(hù)用于限制峰值電流；過(guò)壓保護(hù)用于限制峰值電壓。典型的保護(hù)方案設(shè)計(jì)包括主保護(hù)和次級(jí)保護(hù)。主保護(hù)可將大部分瞬變能量從系統(tǒng)轉(zhuǎn)移開(kāi)，通常位于系統(tǒng)和環(huán)境之間的接口，它能夠?qū)⑺沧冝D(zhuǎn)移到大地，從而移走絕大部分的能量。次級(jí)保護(hù)的目的是保護(hù)系統(tǒng)各個(gè)部件，使其免受主保護(hù)允許通過(guò)的任何瞬變電壓和電流的損壞。次級(jí)保護(hù)通常更側(cè)重于面向受保護(hù)系統(tǒng)的具體部件。它經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可以確保針對(duì)上述殘余瞬變提供保護(hù)，同時(shí)還允許系統(tǒng)的這些敏感部件正常工作。Excelpoint世健技術(shù)支持部副總監(jiān)Angus Zhao說(shuō)：“這兩種方式必須確保主設(shè)計(jì)和次級(jí)設(shè)計(jì)能夠一起配合系統(tǒng)輸入/輸出，以便最大限度地降低對(duì)受保護(hù)電路造成的應(yīng)力。同時(shí)在設(shè)計(jì)中，一般在主保護(hù)器件和次級(jí)保護(hù)器件之間會(huì)有一個(gè)協(xié)調(diào)元件，例如電阻或非線性過(guò)流保護(hù)器件，以確保能夠進(jìn)行協(xié)調(diào)。”

圖6：傳統(tǒng)的EMC防護(hù)解決方案架構(gòu)

按照以上的規(guī)范要求和設(shè)計(jì)原則，下面我們提供三種不同級(jí)別的EMC防護(hù)解決方案，這些方案都已經(jīng)經(jīng)過(guò)了第三方獨(dú)立EMC兼容性測(cè)試的認(rèn)證。方案中用到的元器件包括：

·ADM3485EARZ 3.3 V RS-485收發(fā)器（ADI）

·TVS瞬變電壓抑制器CDSOT23-SM712 （Bourns）

·TBU瞬變閉鎖單元TBU-CA065-200-WH （Bourns）

·TIST晶閘管浪涌保護(hù)器TISP4240M3BJR-S （Bourns）

·GDT氣體放電管2038-15-SM-RPLF （Bourns）