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

電涌瞬變

　　電涌瞬變由開(kāi)關(guān)或雷電瞬變產(chǎn)生的過(guò)壓引起。開(kāi)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(cè)試方法和測(cè)試級(jí)別。

　　波形定義為開(kāi)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(cè)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，本部分將予以說(shuō)明。波形發(fā)生器的有效輸出阻抗為2 Ω，因此電涌瞬變相關(guān)的電流非常高。

　　圖3顯示1.2/50 μs電涌瞬變波形。ESD和EFT具有相似的上升時(shí)間、脈沖寬度和能量水平，但電涌脈沖的上升時(shí)間為1.25 μs,脈沖寬度為50 μs.此外，電涌脈沖能量可以達(dá)到90 J,比ESD或EFT脈沖的能量高出三到四個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，電涌瞬變被認(rèn)為是最嚴(yán)重的EMC瞬變。ESD與EFT相似，因此電路保護(hù)的設(shè)計(jì)可以相似，但電涌則不然，其能量非常高，因此必須以不同方式處理。這是開(kāi)發(fā)保護(hù)措施以改善數(shù)據(jù)端口對(duì)所有三種瞬變的抗擾度，同時(shí)保持高性價(jià)比的過(guò)程中會(huì)遇到的主要問(wèn)題之一。

　　電阻將電涌瞬變耦合到通信線路。圖4顯示半雙工RS-485器件的耦合網(wǎng)絡(luò)。并聯(lián)電阻總和為40 Ω。對(duì)于半雙工器件，每個(gè)電阻為80 Ω。

　　電涌測(cè)試期間，將5個(gè)正脈沖和5個(gè)負(fù)脈沖施加于數(shù)據(jù)端口，各脈沖間隔最長(zhǎng)時(shí)間為1分鐘。標(biāo)準(zhǔn)要求，器件在測(cè)試期間設(shè)置為正常工作狀態(tài)。

　　圖3. IEC 61000-4-5電涌1.2/50 μs波形

　　圖4. 半雙工RS-485器件的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)

　　通過(guò)/失敗標(biāo)準(zhǔn)

　　將瞬變施加于受測(cè)系統(tǒng)時(shí)，測(cè)試結(jié)果按照通過(guò)/失敗標(biāo)準(zhǔn)分為四類(lèi)。下面是通過(guò)/失敗標(biāo)準(zhǔn)的列表，并舉例說(shuō)明各標(biāo)準(zhǔn)與RS-485收發(fā)器的關(guān)系。

●正常工作；施加瞬變期間或之后不會(huì)發(fā)生位錯(cuò)誤。

　　●功能暫時(shí)喪失或性能暫時(shí)降低，不需要操作員干預(yù)；施加瞬變期間或之后的有限時(shí)間內(nèi)可能發(fā)生位錯(cuò)誤。

　　●功能暫時(shí)喪失或性能暫時(shí)降低，需要操作員干預(yù)；可能發(fā)生閂鎖事件，但上電復(fù)位后可消除，對(duì)器件的功能和性能無(wú)永久影響。

　　●功能喪失，設(shè)備永久損壞；器件未通過(guò)測(cè)試。

　　標(biāo)準(zhǔn)A是最希望達(dá)到的，標(biāo)準(zhǔn)D是不可接受的。永久損壞會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)和維修/更換成本。對(duì)于任務(wù)關(guān)鍵型系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)B和標(biāo)準(zhǔn)C也是不可接受的，因?yàn)橄到y(tǒng)在瞬變事件期間必須能無(wú)錯(cuò)誤運(yùn)行。

　　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?？煽浚阋蕴幚硐到y(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用經(jīng)受到的瞬變類(lèi)型和電壓水平。

　　3.瞬變時(shí)長(zhǎng)是一個(gè)重要因素。對(duì)于長(zhǎng)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^(guò)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(gè)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(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。它旨在將瞬變分流至地，從而消除大部分能量。

　　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)的任何瞬態(tài)電壓和電流的損壞。它經(jīng)過(guò)優(yōu)化，確保能夠抵御殘余瞬變影響，同時(shí)允許系統(tǒng)的敏感部分正常工作。主保護(hù)和次級(jí)保護(hù)的設(shè)計(jì)必須與系統(tǒng)I/O協(xié)同工作，從而最大程度地降低對(duì)受保護(hù)電路的壓力，這點(diǎn)很重要。主保護(hù)器件與次級(jí)保護(hù)器件之間一般有一個(gè)協(xié)調(diào)元件，如電阻或非線性過(guò)流保護(hù)器件等，用以確保二者協(xié)同應(yīng)對(duì)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(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/輸出極相匹配，這樣才能實(shí)現(xiàn)成功的EMC設(shè)計(jì)。器件數(shù)據(jù)手冊(cè)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(méi)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(gè)解決方案都經(jīng)過(guò)獨(dú)立外部EMC兼容性測(cè)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(guò)特性測(cè)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。

　　圖6. 三個(gè)EMC兼容ADM3485E電路

　　保護(hù)方案1

　　前面說(shuō)過(guò)，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(guò)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(cè)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 http://www.eet-china.com/ART_8800678021_628868_NP_6cfb1c9e.HTM>（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(guò)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）。表1顯示針對(duì)ESD、EFT和電涌瞬變的電壓保護(hù)級(jí)別。

　　表1. 解決方案1保護(hù)級(jí)別

　　TVS是基于硅的器件。在正常工作條件下，TVS具有很高的對(duì)地阻抗；理想情況下它是開(kāi)路。保護(hù)方法是將瞬態(tài)導(dǎo)致的過(guò)壓箝位到電壓限值。這是通過(guò)PN結(jié)的低阻抗雪崩擊穿實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)產(chǎn)生大于TVS的擊穿電壓的瞬態(tài)電壓時(shí)，TVS會(huì)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(duì)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(shí)最大程度減小對(duì)ADM3485E RS-485收發(fā)器的過(guò)壓應(yīng)力。

　　圖7. CDSOT23-SM712 I/V特性（8 kV）

　　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)。