保護(hù)RS-485通信網(wǎng)絡(luò)不受有害EMC事件影響

　　引言

　　在實(shí)際工業(yè)和儀器儀表(I&I)應(yīng)用中，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。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，它們必須符合有關(guān)的電磁兼容性(EMC)法規(guī)。

　　這些要求包括三個(gè)主要瞬變抗擾度標(biāo)準(zhǔn)：靜電放電、電快速瞬變和電涌。

　　ADI公司和Bourns, Inc.攜手合作，共同開發(fā)了業(yè)界首個(gè)EMC兼容RS-485接口設(shè)計(jì)工具，提供針對(duì)IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4 EFT和IEC 61000-4-5電涌的四級(jí)保護(hù)，從而擴(kuò)展面向系統(tǒng)的解決方案組合。

　　1 RS-485標(biāo)準(zhǔn)

　　工業(yè)與儀器儀表(I&I)應(yīng)用常常需要在距離很遠(yuǎn)的多個(gè)系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)。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，I&I應(yīng)用包括：工業(yè)自動(dòng)化、過程控制、電機(jī)控制和運(yùn)動(dòng)控制、遠(yuǎn)程終端、樓宇自動(dòng)化(暖通空調(diào)HVAC等)、安保系統(tǒng)和再生能源等。

　　使RS-485成為I&I通信應(yīng)用理想之選的一些關(guān)鍵特性如下：

　　• 長距離鏈路——最長4000英尺;

　　• 可在一對(duì)絞線電纜上雙向通信;

　　• 差分傳輸可提高共模噪聲抗擾度，減少噪聲輻射;

　　• 可將多個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器連接至同一總線;

　　• 寬共模范圍(–7 V至+12 V)允許驅(qū)動(dòng)器與接收器之間存在地電位差異;

　　• TIA/EIA-485-A允許數(shù)據(jù)速率達(dá)到數(shù)十Mbps。

　　TIA/EIA-485-A描述RS-485接口的物理層，通常與Profibus、Interbus、Modbus或BACnet等更高層協(xié)議配合使用，能夠在相對(duì)較長的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。

　　2 電磁兼容性

　　電磁環(huán)境由輻射和傳導(dǎo)兩種能量組成，因此EMC包括兩個(gè)方面：發(fā)射和耐受性。EMC是指電氣系統(tǒng)在目標(biāo)電磁環(huán)境下保持良好性能且不會(huì)向該環(huán)境引入大量電磁干擾的能力。

　　自1996年以來，向歐盟出售或在歐盟范圍內(nèi)出售的所有電子設(shè)備都必須達(dá)到IEC 61000-4-x規(guī)范定義的EMC級(jí)別。

　　IEC 61000規(guī)范定義了一組EMC抗擾度要求，適用于在住宅、商業(yè)和輕工業(yè)環(huán)境中使用的電氣和電子設(shè)備。這組規(guī)范包括以下三類高電壓瞬變，電子設(shè)計(jì)人員必須確保數(shù)據(jù)通信線路不受它們損害：

　　• IEC 61000-4-2靜電放電(ESD);

　　• IEC 61000-4-4電快速瞬變(EFT);

　　• IEC 61000-4-5電涌耐受性。

　　3 靜電放電(ESD)

　　ESD是指靜電荷在不同電位的實(shí)體之間的突然傳輸，由靠近接觸或電場感應(yīng)引起。其特征是在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高電流。IEC 61000-4-2測試的主要目的是確定系統(tǒng)在工作過程中對(duì)系統(tǒng)外部ESD事件的抗擾度。IEC 61000-4-2描述了兩種耦合測試方法，即所謂接觸放電和空氣放電。接觸放電要求放電槍與受測單元直接接觸。在空氣放電測試期間，放電槍的充電電極朝向受測單元移動(dòng)，直到氣隙上發(fā)生電弧放電。放電槍不與受測單元直接接觸。空氣放電測試的結(jié)果和可重復(fù)性會(huì)受到多種因素的影響，包括濕度、溫度、氣壓、距離和放電槍逼近受測單元的速率。這種方法能夠更好地反映實(shí)際ESD事件，但可重復(fù)性較差。因此，接觸放電是首選測試方法。

　　測試期間，數(shù)據(jù)端口須經(jīng)受至少10次正極放電和10次負(fù)極放電，脈沖之間間隔1秒。測試電壓的選擇取決于系統(tǒng)端環(huán)境。規(guī)定的最高測試為4級(jí)，要求接觸放電電壓為±8 kV，空氣放電電壓為±15 kV。

　　圖1顯示了規(guī)范所述的8 kV接觸放電電流波形。一些關(guān)鍵波形參數(shù)包括小于1 ns的上升時(shí)間和大約60 ns的脈沖寬度。這說明脈沖總能量約為數(shù)十mJ。

　　4 電快速瞬變(EFT)

　　電快速瞬變測試要求將數(shù)個(gè)極端快速的瞬變脈沖耦合到信號(hào)線上，以代表容性耦合到通信端口的外部開關(guān)電路的瞬態(tài)干擾，這種干擾可能包括繼電器和開關(guān)觸點(diǎn)抖動(dòng)，以及切換感性或容性負(fù)載引起的瞬變，所有這些在工業(yè)環(huán)境中非常常見。EC 61000-4-4中定義的EFT測試嘗試模擬因?yàn)檫@些類型的事件產(chǎn)生的干擾。

　　5 電涌瞬變

　　電涌瞬變由開關(guān)或雷電瞬變產(chǎn)生的過壓引起。開關(guān)瞬變的原因可以是電源系統(tǒng)切換、電源分配系統(tǒng)的負(fù)載變化或短路等各種系統(tǒng)故障。雷電瞬變的原因可以是附近的雷擊將高電流和電壓注入電路中。IEC 61000-4-5定義了用于評(píng)估對(duì)這些破壞性電涌的抗擾度的波形、測試方法和測試級(jí)別。

　　波形定義為開路電壓和短路電流下波形發(fā)生器的輸出。標(biāo)準(zhǔn)描述了兩種波形。10/700 μs組合波形用于測試要連接到對(duì)稱通信線路的端口，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形，特別是短距離信號(hào)連接。RS-485端口主要使用1.2/50 µs波形。波形發(fā)生器的有效輸出阻抗為2 ?，因此電涌瞬變相關(guān)的電流非常高。

　　6 瞬變保護(hù)

　　設(shè)計(jì)瞬變保護(hù)電路時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須考慮以下主要事項(xiàng)：

　　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(shí)際應(yīng)用經(jīng)受到的瞬變類型和電壓水平。

　　3. 瞬變時(shí)長是一個(gè)重要因素。對(duì)于長時(shí)間瞬變，熱效應(yīng)可能會(huì)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?yàn)檫^應(yīng)力而失效，它應(yīng)以保護(hù)系統(tǒng)的方式失效。

　　7 RS-485瞬變抑制網(wǎng)絡(luò)

　　就特性而言，EMC瞬態(tài)事件在時(shí)間上會(huì)有變化，因此保護(hù)元件必須具有動(dòng)態(tài)性能，而且其動(dòng)態(tài)特性需要與受保護(hù)器件的輸入/輸出相匹配，這樣才能實(shí)現(xiàn)成功的EMC設(shè)計(jì)。器件數(shù)據(jù)手冊一般只包含直流數(shù)據(jù)，由于動(dòng)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(jià)值。必須進(jìn)行精心設(shè)計(jì)并確定特性，了解受保護(hù)器件的輸入/輸出級(jí)的動(dòng)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2所示電路顯示了三種不同的完整的EMC兼容解決方案。每個(gè)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(duì)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(jí)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(dòng)態(tài)I/V性能可以保護(hù)ADM3485E RS-485總線引腳的動(dòng)態(tài)I/V特性，使得ADM3485E輸入/輸出級(jí)與外部保護(hù)元件協(xié)同防范瞬變事件。

　　8 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(gè)數(shù)量級(jí)。針對(duì)ESD和EFT的保護(hù)可通過相似方式實(shí)現(xiàn)，但針對(duì)高電涌級(jí)別的保護(hù)解決方案則更為復(fù)雜。第一個(gè)解決方案提供四級(jí)ESD和EFT保護(hù)及二級(jí)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(gè)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(shí)支持RS-485收發(fā)器上的全范圍RS-485信號(hào)和共模偏移(–7 V至+12 V)。

　　9 保護(hù)方案2

　　上一解決方案可提供最高四級(jí)ESD和EFT保護(hù)，但只能提供二級(jí)電涌保護(hù)。為了提高電涌保護(hù)級(jí)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(jí)電涌保護(hù)。

　　CDSOT23-SM712專門針對(duì)RS-485數(shù)據(jù)端口設(shè)計(jì)。以下兩個(gè)電路基于CDSOT23-SM712構(gòu)建，提供更高級(jí)別的電路保護(hù)。CDSOT23-SM712提供次級(jí)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。

　　當(dāng)瞬變能量施加于保護(hù)電路時(shí)，TVS將會(huì)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(shí)現(xiàn)，它是一個(gè)主動(dòng)高速過流保護(hù)元件。此解決方案中的TBU是Bourns TBU-CA065-200-WH。

　　10 保護(hù)方案3

　　常常需要四級(jí)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(完全集成電涌保護(hù)器)來保護(hù)TBU，進(jìn)而保護(hù)次級(jí)保護(hù)器件TVS。GDT將針對(duì)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(gè)導(dǎo)體的額定電流為5 kA。

　　11 結(jié)論

　　在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，RS-485通信端口遇到這些瞬變時(shí)可能遭到損壞。EMC問題如果是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期后期才發(fā)現(xiàn)，可能需要重新設(shè)計(jì)，導(dǎo)致計(jì)劃延遲，代價(jià)巨大。因此，EMC問題應(yīng)在設(shè)計(jì)周期開始時(shí)就予以考慮，否則可能后悔莫及，無法實(shí)現(xiàn)所需的EMC性能。

　　在設(shè)計(jì)面向RS-485網(wǎng)絡(luò)的EMC兼容解決方案時(shí)，主要難題是讓外部保護(hù)元件的動(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。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] www.analog.com/RS485emc