RS-485通信网络的EMC保护（下）：三个解决方案

【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/保护级别，提出并演示三种不同的EMC兼容解决方案。

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瞬变保护

设计瞬变保护电路时，设计人员必须考虑以下主要事项：

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、保护方案应当非常可靠，足以处理系统在实际应用经受到的瞬变类型和电压水平。

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保护方案失效。

4、正常条件下，保护电路不得干扰系统运行。

5、如果保护电路因为过应力而失效，它应以保护系统的方式失效。

图5显示一个典型保护方案，其特征是具有两重保护：主保护和次级保护。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。

次级保护的目的是保护系统各个部件，使其免受主保护允许通过的任何瞬态电压和电流的损坏。它经过优化，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。主保护和次级保护的设计必须与系统I/O协同工作，从而最大程度地降低对受保护电路的压力，这点很重要。主保护器件与次级保护器件之间一般有一个协调元件，如电阻或非线性过流保护器件等，用以确保二者协同应对瞬变。

图5：保护方案框图

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，因此保护元件必须具有动态性能，而且其动态特性需要与受保护器件的输入/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，了解受保护器件的输入/输出级的动态性能，并且使用保护元件，才能确保电路达到EMC标准。

图6所示电路显示了三种不同的完整的EMC兼容解决方案。每个解决方案都经过独立外部EMC兼容性测试公司的认证，各方案使用精选的Bourns外部电路保护元件，针对ADI公司具有增强ESD保护性能的ADM3485E 3.3 V RS-485收发器提供不同的成本/保护级别。所用的Bourns外部电路保护元件包括瞬态电压抑制器(CDSOT23-SM712)、瞬态闭锁单元(TBU-CA065-200-WH)、晶闸管电涌保护器(TISP4240M3BJR-S)和气体放电管(2038-15-SM-RPLF)。

每种解决方案都经过特性测试，确保保护元件的动态I/V性能可以保护ADM3485E RS-485总线引脚的动态I/V特性，使得ADM3485E输入/输出级与外部保护元件协同防范瞬变事件。

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的保护可通过相似方式实现，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保护及二级电涌保护。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和电涌瞬变的电压保护级别。

表1：解决方案1保护级别

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。保护方法是将瞬态导致的过压箝位到电压限值。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保护器件的击穿电压的预定水平。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的击穿电压在受保护引脚的正常工作范围之外。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，从而提供最佳保护，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

保护方案2

上一解决方案可提供最高四级ESD和EFT保护，但只能提供二级电涌保护。为了提高电涌保护级别，保护电路变得更加复杂。以下保护方案可以提供最高四级电涌保护。

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保护。CDSOT23-SM712提供次级保护，而TISP4240M3BJR-S提供主保护。主从保护器件与过流保护之间的协调通过TBU-CA065-200-WH完成。表2显示使用此保护电路的ESD、EFT和电涌瞬变保护电压级别。

表2：解决方案2保护级别

当瞬变能量施加于保护电路时，TVS将会击穿，通过提供低阻抗的接地路径来保护器件。由于电压和电流较高，还必须通过限制通过的电流来保护TVS。这可采用瞬态闭锁单元(TBU)实现，它是一个主动高速过流保护元件。此解决方案中的TBU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是一个高速过流保护元件，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时间内将受保护电路与电涌断开。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。

与所有过流保护技术相同，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，例如完全集成电涌保护器(TISP)。TISP充当主保护器件。当超过其预定义保护电压时，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将保护下游电路，防止由于这种高电压导致的高电流造成损坏。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

保护方案3

常常需要四级以上的电涌保护。此保护方案可保护RS-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来保护TBU，进而保护次级保护器件TVS。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保护。此保护方案的GDT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显示此设计提供的保护级别。

表3：解决方案3保护级别

GDT主要用作主保护器件，提供低阻抗接地路径以防止过压瞬变。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，将瞬态电流从受保护器件上转移开。

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。辉光区和电弧区之间的转换时间主要取决于器件的物理特性。

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。

本文介绍了适用于RS-485通信端口的三种不同EMC兼容解决方案，设计人员可按照所需的保护级别选择保护方案。EVAL-CN0313-SDPZ是业界首个EMC兼容RS-485客户设计工具，针对ESD、EFT和电涌提供最高四级保护。表4总结了不同保护方案提供的保护级别。虽然这些设计工具不能取代所需的系统级严格评估和专业资质，但能够让设计人员在设计周期早期降低由于EMC问题导致的项目延误风险，从而缩短产品设计时间和上市时间。欲了解更多信息，请访问www.analog.com/zh/RS485emc

表4：三种ADM3485E EMC兼容解决方案