原來全是套路！三個經典的RS-485端口EMC防護方案詳解（下）

上一篇文章中，世健公司為大家?guī)砹?a class="contentlabel" href="http://www.104case.com/news/listbylabel/label/RS-485端口">RS-485端口EMC方案相應的規(guī)范要求。這實際上就是保護電路設計需要達到的目標。為了達成這樣的目標，自有其設計原則：

針對瞬變提供保護，主要有兩種方式：過流保護用于限制峰值電流;過壓保護用于限制峰值電壓。典型的保護方案設計包括主保護和次級保護。主保護可將大部分瞬變能量從系統(tǒng)轉移開，通常位于系統(tǒng)和環(huán)境之間的接口，它能夠將瞬變轉移到大地，從而移走絕大部分的能量。次級保護的目的是保護系統(tǒng)各個部件，使其免受主保護允許通過的任何瞬變電壓和電流的損壞。次級保護通常更側重于面向受保護系統(tǒng)的具體部件。它經過優(yōu)化，可以確保針對上述殘余瞬變提供保護，同時還允許系統(tǒng)的這些敏感部件正常工作。Excelpoint世健技術支持部副總監(jiān)Angus Zhao說：“這兩種方式必須確保主設計和次級設計能夠一起配合系統(tǒng)輸入/輸出，以便最大限度地降低對受保護電路造成的應力。同時在設計中，一般在主保護器件和次級保護器件之間會有一個協(xié)調元件，例如電阻或非線性過流保護器件，以確保能夠進行協(xié)調。”

圖1：傳統(tǒng)的EMC防護解決方案架構

按照以上的規(guī)范要求和設計原則，下面我們提供三種不同級別的EMC防護解決方案，這些方案都已經經過了第三方獨立EMC兼容性測試的認證。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晶閘管浪涌保護器TISP4240M3BJR-S (Bourns)

GDT氣體放電管2038-15-SM-RPLF (Bourns)

方案一

EFT和ESD瞬變的能量級別類似，浪涌波形的能量級別則高出三到四個數(shù)量級。針對ESD和EFT的保護可通過相似的方式完成，針對高級別浪涌的保護解決方案則更為復雜。第一個解決方案提供四級ESD和EFT和二級浪涌保護。

此解決方案使用Bourns公司的CDSOT23-SM712 TVS陣列，它包括兩個雙向TVS二極管。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的。保護方法是將瞬變導致的過壓箝位到電壓限值。這是通PN結的低阻抗雪崩擊穿實現(xiàn)的。當產生大于TVS的擊穿電壓的瞬變電壓時， TVS會將瞬變箝位到小于保護器件的擊穿電壓的預定水平，只需 1 ns，瞬變電流即可從受保護器件轉移至地。

重要的是要確保TVS的擊穿電壓在受保護引腳的正常工作范圍之外。CDSOT23-SM712的獨有特性是具有+13.3 V和–7.5 V的非對稱擊穿電壓，與RS-485芯片ADM3485E的+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，同時最大限度地減小對RS-485收發(fā)器的過壓應力。

圖2：CDSOT23-SM712 TVS特性曲線

圖3：基于TVS陣列的保護方案

方案二

如果要提高浪涌保護級別，保護電路變將得更加復雜，在方案二中，我們將浪涌保護提高到四級。

在這個方案中，由TVS(CDSOT23-SM712)提供次級保護， TISP(TISP4240M3BJR-S)則提供主保護，主保護器件和次級保護器件之間的協(xié)調以及過流保護是利用Bourns專利技術的過流保護器件TBU(TBU-CA065-200-WH)實現(xiàn)的。

圖4：TBU的特性曲線

當瞬變能量施加于保護電路時，TVS將會擊穿，通過提供低阻抗的接地路徑來保護器件。由于電壓和電流較高，還必須通過限制通過的電流來保護TVS。這可采用TBU，TBU是一個主動高速過流保護元件可阻擋電流，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，而不是對接口兩端的電壓做出反應。TBU是一個高速過流保護元件，具有預設電流限值和耐高壓能力。當發(fā)生過流，TVS由于瞬變事件擊穿時，TBU中的電流將升至器件設置的限流水平。此時， TBU會在小于1 μs時間內將受保護電路與浪涌斷開。在瞬變的剩余時間內，TBU保持在受保護阻隔狀態(tài)，通過受保護電路的電流非常小(1 mA)。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。在瞬變事件后，TBU自動重置到低阻抗狀態(tài)，讓系統(tǒng)恢復正常工作。

圖5：TBU與PTC(保險絲Fuse)之間的差異

與所有過流保護技術相同，TBU具有最大擊穿電壓，因此主保護器件必須箝位電壓，并將瞬變能量重新引導至地。 這通常使用氣體放電管或固體放電管(晶閘管)TISP等技術實現(xiàn)，例如TISP。TISP充當主保護器件，當超過其預定義保護電壓時，它提供瞬變開路低阻抗接地路徑，從而將大部分瞬變能量從系統(tǒng)和其他保護器件轉移開。

TISP的非線性電壓-電流特性通過轉移產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致的。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)域則導致了箝位動作。

圖6：TISP的特性曲線

在限制過壓的過程中，受保護電路短暫暴露在高壓下，因而在切換到低壓保護打開狀態(tài)之前，TISP器件處在擊穿區(qū)域。TBU將保護后端電路，防止由于這種高電壓導致的高電流造成損壞。當轉移電流降低到臨界值以下時，TISP器件自動重置，以便恢復正常系統(tǒng)運行。

所有上述三個元件協(xié)同工作，與系統(tǒng)輸入/輸出配 合，一起針對高電壓大電流瞬變?yōu)橄到y(tǒng)提供系統(tǒng)級保護。

圖7：TVS、TBU和TISP協(xié)同工作，提供更高級別保護

方案三

如果保護方案需要應對最高6 kV的浪涌瞬變，則需要對方案做些調整。新方案的工作方式類似于保護方案二;但此電路采用氣體放電管(GDT) 取代TISP來保護TBU，從而保護次級保護器件TVS。相對于TISP，GDT采用氣體放電原理，可針對更大的過壓和過流應力提供保護。TISP的額定電流是220 A，GDT的額定電流則是5 kA(按單位導體計算)。

圖8：GDT的特性曲線

GDT主要用作主保護器件，提供低阻抗接地路徑以防止過壓瞬變。當瞬變電壓達到GDT火花放電電壓時，GDT將從高阻抗關閉狀態(tài)切換到電弧模式。在電弧模式下，GDT成為虛擬短路，提供瞬變開路電流接地泄放路徑，將瞬變沖擊電流從受保護器件上轉移開。

圖9：用TVS、TBU、GDT協(xié)同工作，可以耐受更大的過壓和過流應力

Excelpoint世健公司技術支持部副總監(jiān)Angus Zhao總結到：RS-485端口的EMC方案自有套路，了解了保護需要遵循的規(guī)范，熟悉電路保護器件的特性，做出合規(guī)的設計并不難。

圖10：三個RS485端口的EMC方案保護級別比較

最后，世健公司還介紹了兩個經典實用的RS-485端口保護方案，可以通過IEC6100-4-2 ESD, IEC61000-4-4 EFT, IEC61000-4-5 Surge 4級以上EMS安規(guī)測試。

方案一：采用3極GDT+TBU+TVS架構方案

方案二：采用2極GDT+TBU+TVS架構方案