如何保护RS-485通信网络不受有害EMC影响

作者：时间：2013-11-30 来源：网络收藏

电涌瞬变

　　电涌瞬变由开关或雷电瞬变产生的过压引起。开关瞬变的原因可以是电源系统切换、电源分配系统的负载变化或短路等各种系统故障。雷电瞬变的原因可以是附近的雷击将高电流和电压注入电路中。IEC 61000-4-5定义了用于评估对这些破坏性电涌的抗扰度的波形、测试方法和测试级别。

　　波形定义为开路电压和短路电流下波形发生器的输出。标准描述了两种波形。10/700 μs组合波形用于测试要连接到对称通信线路的端口，例如电话交换线。1.2/50 μs组合波形发生器用于所有其他情形，特别是短距离信号连接。RS-485端口主要使用1.2/50 μs波形，本部分将予以说明。波形发生器的有效输出阻抗为2 Ω，因此电涌瞬变相关的电流非常高。

　　图3显示1.2/50 μs电涌瞬变波形。ESD和EFT具有相似的上升时间、脉冲宽度和能量水平，但电涌脉冲的上升时间为1.25 μs,脉冲宽度为50 μs.此外，电涌脉冲能量可以达到90 J,比ESD或EFT脉冲的能量高出三到四个数量级。因此，电涌瞬变被认为是最严重的EMC瞬变。ESD与EFT相似，因此电路保护的设计可以相似，但电涌则不然，其能量非常高，因此必须以不同方式处理。这是开发保护措施以改善数据端口对所有三种瞬变的抗扰度，同时保持高性价比的过程中会遇到的主要问题之一。

　　电阻将电涌瞬变耦合到通信线路。图4显示半双工RS-485器件的耦合网络。并联电阻总和为40 Ω。对于半双工器件，每个电阻为80 Ω。

　　电涌测试期间，将5个正脉冲和5个负脉冲施加于数据端口，各脉冲间隔最长时间为1分钟。标准要求，器件在测试期间设置为正常工作状态。

　　图3. IEC 61000-4-5电涌1.2/50 μs波形

　　图4. 半双工RS-485器件的耦合/去耦网络

　　通过/失败标准

　　将瞬变施加于受测系统时，测试结果按照通过/失败标准分为四类。下面是通过/失败标准的列表，并举例说明各标准与RS-485收发器的关系。

●正常工作；施加瞬变期间或之后不会发生位错误。

　　●功能暂时丧失或性能暂时降低，不需要操作员干预；施加瞬变期间或之后的有限时间内可能发生位错误。

　　●功能暂时丧失或性能暂时降低，需要操作员干预；可能发生闩锁事件，但上电复位后可消除，对器件的功能和性能无永久影响。

　　●功能丧失，设备永久损坏；器件未通过测试。

　　标准A是最希望达到的，标准D是不可接受的。永久损坏会导致系统停机和维修/更换成本。对于任务关键型系统，标准B和标准C也是不可接受的，因为系统在瞬变事件期间必须能无错误运行。

　　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

　　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 http://www.eet-china.com/ART_8800678021_628868_NP_6cfb1c9e.HTM>（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。