如何保護(hù)RS-485通信網(wǎng)絡(luò)不受有害EMC影響

　　CDSOT23-SM712專門針對RS-485數(shù)據(jù)端口設(shè)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(hù)。CDSOT23-SM712提供次級保護(hù)，而TISP4240M3BJR-S提供主保護(hù)。主從保護(hù)器件與過流保護(hù)之間的協(xié)調(diào)通過TBU-CA065-200-WH完成。表2顯示使用此保護(hù)電路的ESD、EFT和電涌瞬變保護(hù)電壓級別。

　　表2. 解決方案2保護(hù)級別（8 kV）

　　當(dāng)瞬變能量施加于保護(hù)電路時，TVS將會擊穿，通過提供低阻抗的接地路徑來保護(hù)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(hù)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(hù)元件。此解決方案中的TBU是Bourns TBU-CA065-200-WH.

　　TBU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(yīng)，而不是對接口兩端的電壓做出反應(yīng)。TBU是一個高速過流保護(hù)元件，具有預(yù)設(shè)電流限值和耐高壓能力。當(dāng)發(fā)生過流，TVS由于瞬態(tài)事件擊穿時，TBU中的電流將升至器件設(shè)置的限流水平。此時，TBU會在不足1 μs時間內(nèi)將受保護(hù)電路與電涌斷開。在瞬變的剩余時間內(nèi)，TBU保持在受保護(hù)阻隔狀態(tài)，只有極小的電流（1 mA）通過受保護(hù)電路。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。在瞬態(tài)事件后，TBU自動復(fù)位至低阻抗?fàn)顟B(tài)，允許系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。

　　與所有過流保護(hù)技術(shù)相同，TBU具有最大擊穿電壓，因此主保護(hù)器件必須箝位電壓，并將瞬變能量重新引導(dǎo)至地。這通常使用氣體放電管或固態(tài)晶閘管等技術(shù)實現(xiàn)，例如完全集成電涌保護(hù)器（TISP）。TISP充當(dāng)主保護(hù)器件。當(dāng)超過其預(yù)定義保護(hù)電壓時，它提供瞬態(tài)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(hù)器件轉(zhuǎn)移開。

　　TISP的非線性電壓-電流特性通過轉(zhuǎn)移產(chǎn)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(dǎo)致的。圖8顯示了器件的電壓-電流特性。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(dǎo)致了箝位動作。在限制過壓的過程中，受保護(hù)電路短暫暴露在高壓下，因而在切換到低壓保護(hù)導(dǎo)通狀態(tài)之前，TISP器件處在擊穿區(qū)域。TBU將保護(hù)下游電路，防止由于這種高電壓導(dǎo)致的高電流造成損壞。當(dāng)轉(zhuǎn)移電流降低到臨界值以下時，TISP器件自動復(fù)位，以便恢復(fù)正常系統(tǒng)運(yùn)行。

　　如上所述，所有三個器件與系統(tǒng)I/O協(xié)同工作來保護(hù)系統(tǒng)免受高電壓和電流瞬變影響。

　　圖8. TISP切換特性和電壓限制波形

　　保護(hù)方案3

常常需要四級以上的電涌保護(hù)。此保護(hù)方案可保護(hù)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(hù)解決方案2,但此電路采用氣體放電管（GDT）取代TISP來保護(hù)TBU,進(jìn)而保護(hù)次級保護(hù)器件TVS.GDT將針對高于前一種保護(hù)機(jī)制中所述TISP的過壓和過流應(yīng)力提供保護(hù)。此保護(hù)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(dǎo)體的額定電流為5 kA.表3顯示此設(shè)計提供的保護(hù)級別。

　　表3. 解決方案3保護(hù)級別（8 kV）

　　GDT主要用作主保護(hù)器件，提供低阻抗接地路徑以防止過壓瞬變。當(dāng)瞬態(tài)電壓達(dá)到GDT火花放電電壓時，GDT將從高阻抗關(guān)閉狀態(tài)切換到電弧模式。在電弧模式下，GDT成為虛擬短路，提供瞬態(tài)開路電流接地路徑，將瞬態(tài)電流從受保護(hù)器件上轉(zhuǎn)移開。

　　圖9顯示GDT的典型特性。當(dāng)GDT兩端的電壓增大時，放電管中的氣體由于產(chǎn)生的電荷開始電離。這稱為輝光區(qū)。在此區(qū)域中，增加的電流將產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，將GDT轉(zhuǎn)換為虛擬短路，允許電流通過器件。在短路事件中，器件兩端產(chǎn)生的電壓稱為弧電壓。輝光區(qū)和電弧區(qū)之間的轉(zhuǎn)換時間主要取決于器件的物理特性。

　　圖9. GDT特性波形

　　結(jié)論

　　本文說明了處理瞬變抗擾度的三種IEC標(biāo)準(zhǔn)。在實際工業(yè)應(yīng)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(shè)計周期后期才發(fā)現(xiàn)，可能需要重新設(shè)計，導(dǎo)致計劃延遲，代價巨大。因此，EMC問題應(yīng)在設(shè)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(shè)計面向RS-485網(wǎng)絡(luò)的EMC兼容解決方案時，主要難題是讓外部保護(hù)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。

　　本文介紹了適用于RS-485通信端口的三種不同EMC兼容解決方案，設(shè)計人員可按照所需的保護(hù)級別選擇保護(hù)方案。EVAL-CN0313-SDPZ是業(yè)界首個EMC兼容RS-485客戶設(shè)計工具，針對ESD、EFT和電涌提供最高四級保護(hù)。表4總結(jié)了不同保護(hù)方案提供的保護(hù)級別。雖然這些設(shè)計工具不能取代所需的系統(tǒng)級嚴(yán)格評估和專業(yè)資質(zhì)，但能夠讓設(shè)計人員在設(shè)計周期早期降低由于EMC問題導(dǎo)致的項目延誤風(fēng)險，從而縮短產(chǎn)品設(shè)計時間和上市時間。

　　表4. 三種ADM3485E EMC兼容解決方案