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RS-485通信网络的EMC?；ぃㄏ拢喝鼋饩龇桨?/h2>

发布时间：2014-06-20 来源：James Scanlon?和?Koenraad Rutgers 责任编辑：xueqi

【导读 】RS-485接口链路需要在恶劣电磁环境下工作，雷击、静电放电和其他电磁现象引起的大瞬变电压可能损坏通信端口。本文介绍各主要瞬变类型，并针对RS-485通信端口的三种不同成本/?；ぜ侗穑岢霾⒀菔救植煌腅MC兼容解决方案。
 
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瞬变?；?/strong>
 
设计瞬变?；さ缏肥保杓迫嗽北匦肟悸且韵轮饕孪睿?/div>
 
1、该电路必须防止或限制瞬变引起的损坏，并允许系统恢复正常工作，性能影响极小。
2、保护方案应当非?？煽浚阋源硐低吃谑导视τ镁艿降乃脖淅嘈秃偷缪顾?。
3、瞬变时长是一个重要因素。对于长时间瞬变，热效应可能会导致某些?；し桨甘А?/div>
4、正常条件下，?；さ缏凡坏酶扇畔低吃诵?。
5、如果?；さ缏芬蛭αΧ?，它应以?；は低车姆绞绞А?/div>
 
图5显示一个典型?；し桨福涮卣魇蔷哂辛街乇；ぃ褐鞅；ず痛渭侗；?。主保护可将大部分瞬变能量从系统转移开，通常位于系统和环境之间的接口。它旨在将瞬变分流至地，从而消除大部分能量。
 
次级?；さ哪康氖潜；は低掣鞲霾考蛊涿馐苤鞅；ぴ市硗ü娜魏嗡蔡缪购偷缌鞯乃鸹怠Ｋ呕?，确保能够抵御残余瞬变影响，同时允许系统的敏感部分正常工作。主保护和次级?；さ纳杓票匦胗胂低矷/O协同工作，从而最大程度地降低对受?；さ缏返难沽?，这点很重要。主?；て骷氪渭侗；て骷湟话阌幸桓鲂髟?，如电阻或非线性过流?；て骷?，用以确保二者协同应对瞬变。
 
 
图5：?；し桨缚蛲?/div>
 
RS-485瞬变抑制网络
 
就特性而言，EMC瞬态事件在时间上会有变化，因此?；ぴ匦刖哂卸阅埽移涠匦孕枰胧鼙；て骷氖淙?输出极相匹配，这样才能实现成功的EMC设计。器件数据手册一般只包含直流数据，由于动态击穿和I/V特性可能与直流值存在很大差异，因此这些数据没有太多价值。必须进行精心设计并确定特性，了解受?；て骷氖淙?输出级的动态性能，并且使用?；ぴ拍苋繁５缏反锏紼MC标准。
 
 
每种解决方案都经过特性测试，确保保护元件的动态I/V性能可以?；DM3485E RS-485总线引脚的动态I/V特性，使得ADM3485E输入/输出级与外部?；ぴ婪端脖涫录?/div>
 
 
图6：三个EMC兼容ADM3485E电路（原理示意图，未显示所有连接）
 
保护方案1
 
前面说过，EFT和ESD瞬变具有相似的能量水平，而电涌波形的能量水平则高出三到四个数量级。针对ESD和EFT的?；た赏ü嗨品绞绞迪?，但针对高电涌级别的保护解决方案则更为复杂。第一个解决方案提供四级ESD和EFT?；ぜ岸兜缬勘；?。本文描述的所有电涌测试都使用1.2/50 μs波形。
 
此解决方案使用Bourns公司的CDSOT23-SM712瞬变电压抑制器(TVS)阵列，它包括两个双向TVS二极管，非常适合保护RS-485系统，过应力极小，同时支持RS-485收发器上的全范围RS-485信号和共模偏移（–7 V至+12 V）。表1显示针对ESD、EFT和电涌瞬变的电压?；ぜ侗稹?/div>
 
 
表1：解决方案1?；ぜ侗?/div>
 
TVS是基于硅的器件。在正常工作条件下，TVS具有很高的对地阻抗；理想情况下它是开路。?；し椒ㄊ墙蔡贾碌墓贵槲坏降缪瓜拗?。这是通过PN结的低阻抗雪崩击穿实现的。当产生大于TVS的击穿电压的瞬态电压时，TVS会将瞬态箝位到小于?；て骷幕鞔┑缪沟脑ざㄋ?。瞬变立即受到箝位（< 1 ns），瞬态电流从受保护器件转移至地。
 
重要的是要确保TVS的击穿电压在受?；ひ诺恼９ぷ鞣段е?。CDSOT23-SM712的独有特性是具有+13.3 V和–7.5 V的非对称击穿电压，与+12 V至–7 V的收发器共模范围相匹配，从而提供最佳?；?，同时最大程度减小对ADM3485E RS-485收发器的过压应力。
 
 
图7：CDSOT23-SM712 I/V特性
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保护方案2
 
上一解决方案可提供最高四级ESD和EFT?；?，但只能提供二级电涌?；?。为了提高电涌?；ぜ侗穑；さ缏繁涞酶痈丛?。以下?；し桨缚梢蕴峁┳罡咚募兜缬勘；?。
 
CDSOT23-SM712专门针对RS-485数据端口设计。以下两个电路基于CDSOT23-SM712构建，提供更高级别的电路?；?。CDSOT23-SM712提供次级?；?，而TISP4240M3BJR-S提供主保护。主从?；て骷牍鞅；ぶ涞男魍ü齌BU-CA065-200-WH完成。表2显示使用此?；さ缏返腅SD、EFT和电涌瞬变?；さ缪辜侗?。
 
 
表2：解决方案2?；ぜ侗?/div>
 
当瞬变能量施加于?；さ缏肥保琓VS将会击穿，通过提供低阻抗的接地路径来?；て骷?。由于电压和电流较高，还必须通过限制通过的电流来?；VS。这可采用瞬态闭锁单元(TBU)实现，它是一个主动高速过流?；ぴ４私饩龇桨钢械腡BU是Bourns TBU-CA065-200-WH。
 
TBU可阻挡电流，而不是将其分流至地。作为串联元件，它会对通过器件的电流做出反应，而不是对接口两端的电压做出反应。TBU是一个高速过流?；ぴ?，具有预设电流限值和耐高压能力。当发生过流，TVS由于瞬态事件击穿时，TBU中的电流将升至器件设置的限流水平。此时，TBU会在不足1 μs时间内将受?；さ缏酚氲缬慷峡?。在瞬变的剩余时间内，TBU保持在受保护阻隔状态，只有极小的电流(<1 mA)通过受保护电路。在正常工作条件下，TBU具有低阻抗，因此它对正常电路工作的影响很小。在阻隔模式下，它具有很高的阻抗以阻隔瞬变能量。在瞬态事件后，TBU自动复位至低阻抗状态，允许系统恢复正常工作。
 
与所有过流?；ぜ际跸嗤?，TBU具有最大击穿电压，因此主保护器件必须箝位电压，并将瞬变能量重新引导至地。这通常使用气体放电管或固态晶闸管等技术实现，例如完全集成电涌?；て?TISP)。TISP充当主保护器件。当超过其预定义?；さ缪故?，它提供瞬态开路低阻抗接地路径，从而将大部分瞬变能量从系统和其他保护器件转移开。
 
TISP的非线性电压-电流特性通过转移产生的电流来限制过压。作为晶闸管，TISP具有非连续电压-电流特性，它是由于高电压区和低电压区之间的切换动作而导致的。图8显示了器件的电压-电流特性。在TISP器件切换到低电压状态之前，它具有低阻抗接地路径以分流瞬变能量，雪崩击穿区域则导致了箝位动作。在限制过压的过程中，受保护电路短暂暴露在高压下，因而在切换到低压保护导通状态之前，TISP器件处在击穿区域。TBU将?；は掠蔚缏罚乐褂捎谡庵指叩缪沟贾碌母叩缌髟斐伤鸹?。当转移电流降低到临界值以下时，TISP器件自动复位，以便恢复正常系统运行。
 
如上所述，所有三个器件与系统I/O协同工作来保护系统免受高电压和电流瞬变影响。
 
 
图8：TISP切换特性和电压限制波形
 
?；し桨?
 
常常需要四级以上的电涌?；?。此保护方案可?；S-485端口免受最高6 kV电涌瞬变的影响。它的工作方式类似于保护解决方案2，但此电路采用气体放电管(GDT)取代TISP来?；BU，进而?；ご渭侗；て骷VS。GDT将针对高于前一种保护机制中所述TISP的过压和过流应力提供?；?。此?；し桨傅腉DT是Bourns公司的2038-15-SM-RPLF。TISP额定电流为220 A，而GDT每个导体的额定电流为5 kA。表3显示此设计提供的?；ぜ侗?。
 
 
表3：解决方案3保护级别
 
GDT主要用作主?；て骷峁┑妥杩菇拥芈肪兑苑乐构顾脖?。当瞬态电压达到GDT火花放电电压时，GDT将从高阻抗关闭状态切换到电弧模式。在电弧模式下，GDT成为虚拟短路，提供瞬态开路电流接地路径，将瞬态电流从受?；て骷献瓶?。
 
图9显示GDT的典型特性。当GDT两端的电压增大时，放电管中的气体由于产生的电荷开始电离。这称为辉光区。在此区域中，增加的电流将产生雪崩效应，将GDT转换为虚拟短路，允许电流通过器件。在短路事件中，器件两端产生的电压称为弧电压?；怨馇偷缁∏涞淖皇奔渲饕【鲇谄骷奈锢硖匦?。
 
 
图9：GDT特性波形
 
结论
 
本文说明了处理瞬变抗扰度的三种IEC标准。在实际工业应用中，RS-485通信端口遇到这些瞬变时可能遭到损坏。EMC问题如果是在产品设计周期后期才发现，可能需要重新设计，导致计划延迟，代价巨大。因此，EMC问题应在设计周期开始时就予以考虑，否则可能后悔莫及，无法实现所需的EMC性能。
 
在设计面向RS-485网络的EMC兼容解决方案时，主要难题是让外部保护元件的动态性能与RS-485器件输入/输出结构的动态性能相匹配。
 
 
 
表4：三种ADM3485E EMC兼容解决方案
 
 

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