如何保護RS-485通信網絡不受有害EMC影響

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，本部分將予以說明。波形發生器的有效輸出阻抗為2 Ω，因此電涌瞬變相關的電流非常高。

　　圖3顯示1.2/50 μs電涌瞬變波形。ESD和EFT具有相似的上升時間、脈沖寬度和能量水平，但電涌脈沖的上升時間為1.25 μs,脈沖寬度為50 μs.此外，電涌脈沖能量可以達到90 J,比ESD或EFT脈沖的能量高出三到四個數量級。因此，電涌瞬變被認為是最嚴重的EMC瞬變。ESD與EFT相似，因此電路保護的設計可以相似，但電涌則不然，其能量非常高，因此必須以不同方式處理。這是開發保護措施以改善數據端口對所有三種瞬變的抗擾度，同時保持高性價比的過程中會遇到的主要問題之一。

　　電阻將電涌瞬變耦合到通信線路。圖4顯示半雙工RS-485器件的耦合網絡。并聯電阻總和為40 Ω。對于半雙工器件，每個電阻為80 Ω。

　　電涌測試期間，將5個正脈沖和5個負脈沖施加于數據端口，各脈沖間隔最長時間為1分鐘。標準要求，器件在測試期間設置為正常工作狀態。

　　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/去耦網絡

　　通過/失敗標準

　　將瞬變施加于受測系統時，測試結果按照通過/失敗標準分為四類。下面是通過/失敗標準的列表，并舉例說明各標準與RS-485收發器的關系。

●正常工作；施加瞬變期間或之后不會發生位錯誤。

　　●功能暫時喪失或性能暫時降低，不需要操作員干預；施加瞬變期間或之后的有限時間內可能發生位錯誤。

　　●功能暫時喪失或性能暫時降低，需要操作員干預；可能發生閂鎖事件，但上電復位后可消除，對器件的功能和性能無永久影響。

　　●功能喪失，設備永久損壞；器件未通過測試。

　　標準A是最希望達到的，標準D是不可接受的。永久損壞會導致系統停機和維修/更換成本。對于任務關鍵型系統，標準B和標準C也是不可接受的，因為系統在瞬變事件期間必須能無錯誤運行。

　　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。

　　圖5顯示一個典型保護方案，其特征是具有兩重保護：主保護和次級保護。主保護可將大部分瞬變能量從系統轉移開，通常位于系統和環境之間的接口。它旨在將瞬變分流至地，從而消除大部分能量。

　　次級保護的目的是保護系統各個部件，使其免受主保護允許通過的任何瞬態電壓和電流的損壞。它經過優化，確保能夠抵御殘余瞬變影響，同時允許系統的敏感部分正常工作。主保護和次級保護的設計必須與系統I/O協同工作，從而最大程度地降低對受保護電路的壓力，這點很重要。主保護器件與次級保護器件之間一般有一個協調元件，如電阻或非線性過流保護器件等，用以確保二者協同應對瞬變。

　　圖5. 保護方案框圖

　　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/輸出極相匹配，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。

　　圖6. 三個EMC兼容ADM3485E電路

　　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 http://www.eet-china.com/ART_8800678021_628868_NP_6cfb1c9e.HTM>（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）。表1顯示針對ESD、EFT和電涌瞬變的電壓保護級別。

　　表1. 解決方案1保護級別

　　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。保護方法是將瞬態導致的過壓箝位到電壓限值。這是通過PN結的低阻抗雪崩擊穿實現的。當產生大于TVS的擊穿電壓的瞬態電壓時，TVS會將瞬態箝位到小于保護器件的擊穿電壓的預定水平。瞬變立即受到箝位（ 1 ns），瞬態電流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+12 V至-7 V的收發器共模范圍相匹配，從而提供最佳保護，同時最大程度減小對ADM3485E RS-485收發器的過壓應力。

　　圖7. CDSOT23-SM712 I/V特性（8 kV）

　　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。