保護RS-485通信網(wǎng)絡不受有害EMC事件影響

　　引言

　　在實際工業(yè)和儀器儀表(I&I)應用中，RS-485接口鏈路需要在惡劣電磁環(huán)境下工作。雷擊、靜電放電和其他電磁現(xiàn)象引起的大瞬變電壓可能損壞通信端口。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，它們必須符合有關(guān)的電磁兼容性(EMC)法規(guī)。

　　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(fā)了業(yè)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(tǒng)的解決方案組合。

　　1 RS-485標準

　　工業(yè)與儀器儀表(I&I)應用常常需要在距離很遠的多個系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)。RS-485電氣標準是I&I應用中使用最廣泛的物理層規(guī)范之一，I&I應用包括：工業(yè)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(diào)HVAC等)、安保系統(tǒng)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(guān)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(qū)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(qū)動器與接收器之間存在地電位差異;

　　• TIA/EIA-485-A允許數(shù)據(jù)速率達到數(shù)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(xié)議配合使用，能夠在相對較長的距離內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。

　　2 電磁兼容性

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

　　IEC 61000規(guī)范定義了一組EMC抗擾度要求，適用于在住宅、商業(yè)和輕工業(yè)環(huán)境中使用的電氣和電子設備。這組規(guī)范包括以下三類高電壓瞬變，電子設計人員必須確保數(shù)據(jù)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(nèi)產(chǎn)生高電流。IEC 61000-4-2測試的主要目的是確定系統(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(fā)生電弧放電。放電槍不與受測單元直接接觸?？諝夥烹姕y試的結(jié)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(shù)據(jù)端口須經(jīng)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(tǒng)端環(huán)境。規(guī)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(guī)范所述的8 kV接觸放電電流波形。一些關(guān)鍵波形參數(shù)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(shù)十mJ。

　　4 電快速瞬變(EFT)

　　電快速瞬變測試要求將數(shù)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(guān)電路的瞬態(tài)干擾，這種干擾可能包括繼電器和開關(guān)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(yè)環(huán)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(chǎn)生的干擾。

　　5 電涌瞬變

　　電涌瞬變由開關(guān)或雷電瞬變產(chǎn)生的過壓引起。開關(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(fā)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(fā)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(fā)生器的有效輸出阻抗為2 ?，因此電涌瞬變相關(guān)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(tǒng)恢復正常工作，性能影響極小。

　　2. 保護方案應當非?？煽浚阋蕴幚硐到y(tǒng)在實際應用經(jīng)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(tǒng)運行。

　　5. 如果保護電路因為過應力而失效，它應以保護系統(tǒng)的方式失效。

　　7 RS-485瞬變抑制網(wǎng)絡

　　就特性而言，EMC瞬態(tài)事件在時間上會有變化，因此保護元件必須具有動態(tài)性能，而且其動態(tài)特性需要與受保護器件的輸入/輸出相匹配，這樣才能實現(xiàn)成功的EMC設計。器件數(shù)據(jù)手冊一般只包含直流數(shù)據(jù)，由于動態(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(tài)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(jīng)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(fā)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(tài)電壓抑制器(CDSOT23-SM712)、瞬態(tài)閉鎖單元(TBU-CA065-200-WH)、晶閘管電涌保護器(TISP4240M3BJR-S)和氣體放電管(2038-15-SM-RPLF)。

　　每種解決方案都經(jīng)過特性測試，確保保護元件的動態(tài)I/V性能可以保護ADM3485E RS-485總線引腳的動態(tài)I/V特性，使得ADM3485E輸入/輸出級與外部保護元件協(xié)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(shù)量級。針對ESD和EFT的保護可通過相似方式實現(xiàn)，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(tǒng)，過應力極小，同時支持RS-485收發(fā)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(shù)據(jù)端口設計。以下兩個電路基于CDSOT23-SM712構(gòu)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(xié)調(diào)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(tài)閉鎖單元(TBU)實現(xiàn)，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(jié)論

　　在實際工業(yè)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(chǎn)品設計周期后期才發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)所需的EMC性能。

　　在設計面向RS-485網(wǎng)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(tài)性能與RS-485器件輸入/輸出結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能相匹配。

　　參考文獻：

　　[1] www.analog.com/RS485emc