原來全是套路！三個經(jīng)典的RS-485端口EMC防護(hù)方案詳解

　　在實際的工業(yè)、電力、自動化及儀器儀表應(yīng)用中，RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)是使用最廣泛的物理層總線設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)之一，由于其會在惡劣電磁環(huán)境下工作，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，它們必須符合相關(guān)的電磁兼容性(EMC)法規(guī)。在本文中，世健公司結(jié)合優(yōu)勢的代理線ADI(?RS-485芯片)、Bourns(在端口EMC防護(hù)方面的器件)，從原理分析到實測來為大家?guī)碓敿?xì)的RS485的端口防護(hù)分析。

　　在RS-485端口的EMC設(shè)計中，我們需要重點考慮三個因素：靜電放電(ESD)、電快速瞬變(EFT)和浪涌(Surge)。?國際電工委員會(IEC)規(guī)范定義了一組EMC抗擾度要求，這組規(guī)范包括以下三種類型的高電壓瞬變，設(shè)計人員需要確保數(shù)據(jù)通信線路不受這些瞬變的損害。這三種類型分別是:

　　??IEC?61000-4-2靜電放電(ESD)

　　??IEC?61000-4-4電快速瞬變(EFT)

　　??IEC?61000-4-5浪涌抗擾度(Surge)

　　Excelpoint世健公司技術(shù)支持部副總監(jiān)Angus?Zhao說：“RS-485端口的保護(hù)方案就是要設(shè)法去滿足ESD、EFT、Surge這三種規(guī)范的要求。所以想要設(shè)計出合規(guī)的RS-485端口EMC方案，首先就要透徹了解這三個規(guī)范?！眹鴥?nèi)針對IEC標(biāo)準(zhǔn)也有同樣的等同標(biāo)準(zhǔn)可以參考，比如在電力及輸配電應(yīng)用中，很多采用了GB/T17626.2?ESD,?GB/T17626.4?EFT,?GB/T17626.5?Surge的對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，本文以IEC標(biāo)準(zhǔn)為例說明。

　　靜電放電

　　靜電放電(ESD)是指兩個電位不同的帶電體之間因為近接觸或電場的傳導(dǎo)而突然產(chǎn)生靜電電荷的傳輸。其特性是在較短的時間內(nèi)有較大的電流。IEC?61000-4-2測試的主要目，就是確定系統(tǒng)在工作過程中對系統(tǒng)外部ESD事件的抗擾度。IEC?61000-4-2規(guī)定了不同環(huán)境狀況下的電壓測試級別，共分4個級別。1級最輕微，4級最嚴(yán)重。1級和2級適合擁有防靜電材料的?受控環(huán)境中安裝的產(chǎn)品。3級和4級適合情況更嚴(yán)重的環(huán)境中安裝的產(chǎn)品，這類環(huán)境下更常發(fā)生帶有較高電壓的ESD事件。

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圖1:ESD?特性曲線??

圖2:IEC?61000-4-2?ESD測試級別和安裝類別??

　　電快速瞬變(脈沖群)

　　電快速瞬變(EFT)測試的是，將大量極快的瞬變脈沖耦合到信號線上，系統(tǒng)與外部開關(guān)電路關(guān)聯(lián)的瞬變干擾，這類電路能夠以容性方式耦合至通信端口。EFT的纏上包括繼電器和開關(guān)觸點抖動，或者因為感性或容性負(fù)載切換而產(chǎn)生的瞬變，?而所有這些在工業(yè)環(huán)境中都很常見。EC?61000-4-4中定義的?EFT測試，就是去模擬這些事件產(chǎn)生的干擾。

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*圖3：EFT特性曲線?*??

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　　IEC?61000-4-4規(guī)定了不同環(huán)境狀況下的電壓測試級別，分為4級。同時規(guī)定了不同測試級別對應(yīng)的測試電壓和脈沖重復(fù)速率。

　　??1級?表示保護(hù)措施很好的環(huán)境

　　??2級?表示受保護(hù)的環(huán)境

　　??3級?表示典型的工業(yè)環(huán)境

　　??4級?表示惡劣的工業(yè)環(huán)境

圖4：IEC?61000-4-4?EFT?測試級別??

　　浪涌(Surge)

　　浪涌通常由開關(guān)操作造成的過壓情況或雷擊造成。開關(guān)瞬變的起因可能是電力系統(tǒng)切換、配電系統(tǒng)中的負(fù)載變化或各種系統(tǒng)故障。雷擊瞬變的起因可能是附近的雷擊導(dǎo)致向電路中注入了較大的電流和電壓。IEC?61000-4-5定義了在容易受到這些浪涌現(xiàn)象影響的情況下用于評估電子電氣設(shè)備抗擾度的波形、測試方法和測試級別。

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圖5：Surge特性曲線??

　　浪涌的能量級別可以達(dá)到ESD或EFT脈沖能量級別的三到四個數(shù)量級。因此，浪涌可以視作是EMC瞬變規(guī)范中最嚴(yán)重的一種。?由于ESD和EFT之間的相似性，相應(yīng)的電路保護(hù)設(shè)計也很相似，但是由于浪涌的能量大，因此必須采取不同的處理方式。

　　Excelpoint世健公司技術(shù)支持部副總監(jiān)Angus?Zhao說：“開發(fā)EMC保護(hù)電路的過程，就是要根據(jù)實際應(yīng)用的場景，達(dá)到相應(yīng)的上述三種瞬變的抗擾度的規(guī)范要求，同時又要保證成本效益。這看似復(fù)雜的工作，實際上有它自己的原則和套路可循?！?/p>

　　RS-485端口EMC方案相應(yīng)的規(guī)范要求實際上就是保護(hù)電路設(shè)計需要達(dá)到的目標(biāo)。為了達(dá)成這樣的目標(biāo)，自有其設(shè)計原則：

　　針對瞬變提供保護(hù)，主要有兩種方式：過流保護(hù)用于限制峰值電流;過壓保護(hù)用于限制峰值電壓。典型的保護(hù)方案設(shè)計包括主保護(hù)和次級保護(hù)。主保護(hù)可將大部分瞬變能量從系統(tǒng)轉(zhuǎn)移開，通常位于系統(tǒng)和環(huán)境之間的接口，它能夠?qū)⑺沧冝D(zhuǎn)移到大地，從而移走絕大部分的能量。次級保護(hù)的目的是保護(hù)系統(tǒng)各個部件，使其免受主保護(hù)允許通過的任何瞬變電壓和電流的損壞。次級保護(hù)通常更側(cè)重于面向受保護(hù)系統(tǒng)的具體部件。它經(jīng)過優(yōu)化，可以確保針對上述殘余瞬變提供保護(hù)，同時還允許系統(tǒng)的這些敏感部件正常工作。Excelpoint世健技術(shù)支持部副總監(jiān)Angus?Zhao說：“這兩種方式必須確保主設(shè)計和次級設(shè)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(hù)電路造成的應(yīng)力。同時在設(shè)計中，一般在主保護(hù)器件和次級保護(hù)器件之間會有一個協(xié)調(diào)元件，例如電阻或非線性過流保護(hù)器件，以確保能夠進(jìn)行協(xié)調(diào)?！?/p>

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圖6：傳統(tǒng)的EMC防護(hù)解決方案架構(gòu)??

　　按照以上的規(guī)范要求和設(shè)計原則，下面我們提供三種不同級別的EMC防護(hù)解決方案，這些方案都已經(jīng)經(jīng)過了第三方獨立EMC兼容性測試的認(rèn)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(hù)器TISP4240M3BJR-S?(Bourns)

　　GDT氣體放電管2038-15-SM-RPLF?(Bourns)