保護RS-485通信網絡不受有害EMC事件影響

　　引言

　　在實際工業和儀器儀表(I&I)應用中，RS-485接口鏈路需要在惡劣電磁環境下工作。雷擊、靜電放電和其他電磁現象引起的大瞬變電壓可能損壞通信端口。為了確保這些數據端口能夠在最終安裝環境中正常工作，它們必須符合有關的電磁兼容性(EMC)法規。

　　這些要求包括三個主要瞬變抗擾度標準：靜電放電、電快速瞬變和電涌。

　　ADI公司和Bourns, Inc.攜手合作，共同開發了業界首個EMC兼容RS-485接口設計工具，提供針對IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4 EFT和IEC 61000-4-5電涌的四級保護，從而擴展面向系統的解決方案組合。

　　1 RS-485標準

　　工業與儀器儀表(I&I)應用常常需要在距離很遠的多個系統之間傳輸數據。RS-485電氣標準是I&I應用中使用最廣泛的物理層規范之一，I&I應用包括：工業自動化、過程控制、電機控制和運動控制、遠程終端、樓宇自動化(暖通空調HVAC等)、安保系統和再生能源等。

　　使RS-485成為I&I通信應用理想之選的一些關鍵特性如下：

　　• 長距離鏈路——最長4000英尺;

　　• 可在一對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;

　　• 可將多個驅動器和接收器連接至同一總線;

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

　　• TIA/EIA-485-A允許數據速率達到數十Mbps。

　　TIA/EIA-485-A描述RS-485接口的物理層，通常與Profibus、Interbus、Modbus或BACnet等更高層協議配合使用，能夠在相對較長的距離內實現穩定的數據傳輸。

　　2 電磁兼容性

　　電磁環境由輻射和傳導兩種能量組成，因此EMC包括兩個方面：發射和耐受性。EMC是指電氣系統在目標電磁環境下保持良好性能且不會向該環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出售的所有電子設備都必須達到IEC 61000-4-x規范定義的EMC級別。

　　IEC 61000規范定義了一組EMC抗擾度要求，適用于在住宅、商業和輕工業環境中使用的電氣和電子設備。這組規范包括以下三類高電壓瞬變，電子設計人員必須確保數據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體之間的突然傳輸，由靠近接觸或電場感應引起。其特征是在短時間內產生高電流。IEC 61000-4-2測試的主要目的是確定系統在工作過程中對系統外部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，直到氣隙上發生電弧放電。放電槍不與受測單元直接接觸。空氣放電測試的結果和可重復性會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際ESD事件，但可重復性較差。因此，接觸放電是首選測試方法。

　　測試期間，數據端口須經受至少10次正極放電和10次負極放電，脈沖之間間隔1秒。測試電壓的選擇取決于系統端環境。規定的最高測試為4級，要求接觸放電電壓為±8 kV，空氣放電電壓為±15 kV。

　　圖1顯示了規范所述的8 kV接觸放電電流波形。一些關鍵波形參數包括小于1 ns的上升時間和大約60 ns的脈沖寬度。這說明脈沖總能量約為數十mJ。

　　4 電快速瞬變(EFT)

　　電快速瞬變測試要求將數個極端快速的瞬變脈沖耦合到信號線上，以代表容性耦合到通信端口的外部開關電路的瞬態干擾，這種干擾可能包括繼電器和開關觸點抖動，以及切換感性或容性負載引起的瞬變，所有這些在工業環境中非常常見。EC 61000-4-4中定義的EFT測試嘗試模擬因為這些類型的事件產生的干擾。

　　5 電涌瞬變

　　電涌瞬變由開關或雷電瞬變產生的過壓引起。開關瞬變的原因可以是電源系統切換、電源分配系統的負載變化或短路等各種系統故障。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定義了用于評估對這些破壞性電涌的抗擾度的波形、測試方法和測試級別。

　　波形定義為開路電壓和短路電流下波形發生器的輸出。標準描述了兩種波形。10/700 μs組合波形用于測試要連接到對稱通信線路的端口，例如電話交換線。1.2/50 μs組合波形發生器用于所有其他情形，特別是短距離信號連接。RS-485端口主要使用1.2/50 µs波形。波形發生器的有效輸出阻抗為2 ?，因此電涌瞬變相關的電流非常高。

　　6 瞬變保護

　　設計瞬變保護電路時，設計人員必須考慮以下主要事項：

　　1. 該電路必須防止或限制瞬變引起的損壞，并允許系統恢復正常工作，性能影響極小。

　　2. 保護方案應當非常可靠，足以處理系統在實際應用經受到的瞬變類型和電壓水平。

　　3. 瞬變時長是一個重要因素。對于長時間瞬變，熱效應可能會導致某些保護方案失效。

　　4. 正常條件下，保護電路不得干擾系統運行。

　　5. 如果保護電路因為過應力而失效，它應以保護系統的方式失效。

　　7 RS-485瞬變抑制網絡

　　就特性而言，EMC瞬態事件在時間上會有變化，因此保護元件必須具有動態性能，而且其動態特性需要與受保護器件的輸入/輸出相匹配，這樣才能實現成功的EMC設計。器件數據手冊一般只包含直流數據，由于動態擊穿和I/V特性可能與直流值存在很大差異，因此這些數據沒有太多價值。必須進行精心設計并確定特性，了解受保護器件的輸入/輸出級的動態性能，并且使用保護元件，才能確保電路達到EMC標準。

　　圖2所示電路顯示了三種不同的完整的EMC兼容解決方案。每個解決方案都經過獨立外部EMC兼容性測試公司的認證，各方案使用精選的Bourns外部電路保護元件，針對ADI公司具有增強ESD保護性能的ADM3485E 3.3 V RS-485收發器提供不同的成本/保護級別。所用的Bourns外部電路保護元件包括瞬態電壓抑制器(CDSOT23-SM712)、瞬態閉鎖單元(TBU-CA065-200-WH)、晶閘管電涌保護器(TISP4240M3BJR-S)和氣體放電管(2038-15-SM-RPLF)。

　　每種解決方案都經過特性測試，確保保護元件的動態I/V性能可以保護ADM3485E RS-485總線引腳的動態I/V特性，使得ADM3485E輸入/輸出級與外部保護元件協同防范瞬變事件。

　　8 保護方案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數量級。針對ESD和EFT的保護可通過相似方式實現，但針對高電涌級別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保護及二級電涌保護。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，它包括兩個雙向TVS二極管，非常適合保護RS-485系統，過應力極小，同時支持RS-485收發器上的全范圍RS-485信號和共模偏移(–7 V至+12 V)。

　　9 保護方案2

　　上一解決方案可提供最高四級ESD和EFT保護，但只能提供二級電涌保護。為了提高電涌保護級別，保護電路變得更加復雜。以下保護方案可以提供最高四級電涌保護。

　　CDSOT23-SM712專門針對RS-485數據端口設計。以下兩個電路基于CDSOT23-SM712構建，提供更高級別的電路保護。CDSOT23-SM712提供次級保護，而TISP4240M3BJR-S提供主保護。主從保護器件與過流保護之間的協調通過TBU-CA065-200-WH完成。

　　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。這可采用瞬態閉鎖單元(TBU)實現，它是一個主動高速過流保護元件。此解決方案中的TBU是Bourns TBU-CA065-200-WH。

　　10 保護方案3

　　常常需要四級以上的電涌保護。此保護方案可保護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(完全集成電涌保護器)來保護TBU，進而保護次級保護器件TVS。GDT將針對高于前一種保護機制中所述TISP的過壓和過流應力提供保護。此保護方案的GDT是Bourns公司的2038-15-SM-RPLF。TISP額定電流為220 A，而GDT每個導體的額定電流為5 kA。

　　11 結論

　　在實際工業應用中，RS-485通信端口遇到這些瞬變時可能遭到損壞。EMC問題如果是在產品設計周期后期才發現，可能需要重新設計，導致計劃延遲，代價巨大。因此，EMC問題應在設計周期開始時就予以考慮，否則可能后悔莫及，無法實現所需的EMC性能。

　　在設計面向RS-485網絡的EMC兼容解決方案時，主要難題是讓外部保護元件的動態性能與RS-485器件輸入/輸出結構的動態性能相匹配。

　　參考文獻：

　　[1] www.analog.com/RS485emc