【導(dǎo)讀】在實際的工業(yè)、電力、自動化及儀器儀表應(yīng)用中，RS-485總線標準是使用最廣泛的物理層總線設(shè)計標準之一，由于其會在惡劣電磁環(huán)境下工作，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，它們必須符合相關(guān)的電磁兼容性(EMC)法規(guī)。在本文中，世健公司結(jié)合優(yōu)勢的代理線ADI（ RS-485芯片）、Bourns（在端口EMC防護方面的器件），從原理分析到實測來為大家?guī)碓敿毜腞S485的端口防護分析。
在RS-485端口的EMC設(shè)計中，我們需要重點考慮三個因素：靜電放電(ESD)、電快速瞬變(EFT)和浪涌（Surge）。 國際電工委員會(IEC)規(guī)范定義了一組EMC抗擾度要求，這組規(guī)范包括以下三種類型的高電壓瞬變，設(shè)計人員需要確保數(shù)據(jù)通信線路不受這些瞬變的損害。這三種類型分別是:
IEC 61000-4-2靜電放電(ESD)
IEC 61000-4-4電快速瞬變(EFT)
IEC 61000-4-5浪涌抗擾度（Surge）
Excelpoint世健公司技術(shù)支持部副總監(jiān)Angus Zhao說：“RS-485端口的保護方案就是要設(shè)法去滿足ESD、EFT、Surge這三種規(guī)范的要求。所以想要設(shè)計出合規(guī)的RS-485端口EMC方案，首先就要透徹了解這三個規(guī)范。”國內(nèi)針對IEC標準也有同樣的等同標準可以參考，比如在電力及輸配電應(yīng)用中，很多采用了GB/T17626.2 ESD, GB/T17626.4 EFT, GB/T17626.5 Surge的對應(yīng)標準規(guī)范，本文以IEC標準為例說明。
靜電放電
靜電放電（ESD）是指兩個電位不同的帶電體之間因為近接觸或電場的傳導(dǎo)而突然產(chǎn)生靜電電荷的傳輸。其特性是在較短的時間內(nèi)有較大的電流。IEC 61000-4-2測試的主要目，就是確定系統(tǒng)在工作過程中對系統(tǒng)外部ESD事件的抗擾度。IEC 61000-4-2規(guī)定了不同環(huán)境狀況下的電壓測試級別，共分4個級別。1級最輕微，4級最嚴重。1級和2級適合擁有防靜電材料的 受控環(huán)境中安裝的產(chǎn)品。3級和4級適合情況更嚴重的環(huán)境中安裝的產(chǎn)品，這類環(huán)境下更常發(fā)生帶有較高電壓的ESD事件。
圖1:ESD 特性曲線
圖2:IEC 61000-4-2 ESD測試級別和安裝類別
電快速瞬變（脈沖群）
電快速瞬變（EFT）測試的是，將大量極快的瞬變脈沖耦合到信號線上，系統(tǒng)與外部開關(guān)電路關(guān)聯(lián)的瞬變干擾，這類電路能夠以容性方式耦合至通信端口。EFT的纏上包括繼電器和開關(guān)觸點抖動，或者因為感性或容性負載切換而產(chǎn)生的瞬變， 而所有這些在工業(yè)環(huán)境中都很常見。EC 61000-4-4中定義的 EFT測試，就是去模擬這些事件產(chǎn)生的干擾。
圖3：EFT特性曲線
IEC 61000-4-4規(guī)定了不同環(huán)境狀況下的電壓測試級別，分為4級。同時規(guī)定了不同測試級別對應(yīng)的測試電壓和脈沖重復(fù)速率。
• 1級 表示保護措施很好的環(huán)境
• 2級 表示受保護的環(huán)境
• 3級 表示典型的工業(yè)環(huán)境
• 4級 表示惡劣的工業(yè)環(huán)境
圖4：IEC 61000-4-4 EFT 測試級別
浪涌（Surge）
浪涌通常由開關(guān)操作造成的過壓情況或雷擊造成。開關(guān)瞬變的起因可能是電力系統(tǒng)切換、配電系統(tǒng)中的負載變化或各種系統(tǒng)故障。雷擊瞬變的起因可能是附近的雷擊導(dǎo)致向電路中注入了較大的電流和電壓。IEC 61000-4-5定義了在容易受到這些浪涌現(xiàn)象影響的情況下用于評估電子電氣設(shè)備抗擾度的波形、測試方法和測試級別。
圖5：Surge特性曲線
浪涌的能量級別可以達到ESD或EFT脈沖能量級別的三到四個數(shù)量級。因此，浪涌可以視作是EMC瞬變規(guī)范中最嚴重的一種。 由于ESD和EFT之間的相似性，相應(yīng)的電路保護設(shè)計也很相似，但是由于浪涌的能量大，因此必須采取不同的處理方式。
Excelpoint世健公司技術(shù)支持部副總監(jiān)Angus Zhao說：“開發(fā)EMC保護電路的過程，就是要根據(jù)實際應(yīng)用的場景，達到相應(yīng)的上述三種瞬變的抗擾度的規(guī)范要求，同時又要保證成本效益。這看似復(fù)雜的工作，實際上有它自己的原則和套路可循。”
RS-485端口EMC方案相應(yīng)的規(guī)范要求實際上就是保護電路設(shè)計需要達到的目標。為了達成這樣的目標，自有其設(shè)計原則：
針對瞬變提供保護，主要有兩種方式：過流保護用于限制峰值電流；過壓保護用于限制峰值電壓。典型的保護方案設(shè)計包括主保護和次級保護。主保護可將大部分瞬變能量從系統(tǒng)轉(zhuǎn)移開，通常位于系統(tǒng)和環(huán)境之間的接口，它能夠?qū)⑺沧冝D(zhuǎn)移到大地，從而移走絕大部分的能量。次級保護的目的是保護系統(tǒng)各個部件，使其免受主保護允許通過的任何瞬變電壓和電流的損壞。次級保護通常更側(cè)重于面向受保護系統(tǒng)的具體部件。它經(jīng)過優(yōu)化，可以確保針對上述殘余瞬變提供保護，同時還允許系統(tǒng)的這些敏感部件正常工作。Excelpoint世健技術(shù)支持部副總監(jiān)Angus Zhao說：“這兩種方式必須確保主設(shè)計和次級設(shè)計能夠一起配合系統(tǒng)輸入/輸出，以便最大限度地降低對受保護電路造成的應(yīng)力。同時在設(shè)計中，一般在主保護器件和次級保護器件之間會有一個協(xié)調(diào)元件，例如電阻或非線性過流保護器件，以確保能夠進行協(xié)調(diào)。”
圖6：傳統(tǒng)的EMC防護解決方案架構(gòu)
按照以上的規(guī)范要求和設(shè)計原則，下面我們提供三種不同級別的EMC防護解決方案，這些方案都已經(jīng)經(jīng)過了第三方獨立EMC兼容性測試的認證。方案中用到的元器件包括：
ADM3485EARZ 3.3 V RS-485收發(fā)器（ADI）
TVS瞬變電壓抑制器CDSOT23-SM712 (Bourns)
TBU瞬變閉鎖單元TBU-CA065-200-WH (Bourns)
TIST晶閘管浪涌保護器TISP4240M3BJR-S (Bourns)
GDT氣體放電管2038-15-SM-RPLF (Bourns)
方案一
EFT和ESD瞬變的能量級別類似，浪涌波形的能量級別則高出三到四個數(shù)量級。針對ESD和EFT的保護可通過相似的方式完成，針對高級別浪涌的保護解決方案則更為復(fù)雜。第一個解決方案提供四級ESD和EFT和二級浪涌保護。
此解決方案使用Bourns公司的CDSOT23-SM712 TVS陣列，它包括兩個雙向TVS二極管。TVS是基于硅的器件。在正常工作條件下，TVS具有很高的對地阻抗；理想情況下它是開路的。保護方法是將瞬變導(dǎo)致的過壓箝位到電壓限值。這是通PN結(jié)的低阻抗雪崩擊穿實現(xiàn)的。當(dāng)產(chǎn)生大于TVS的擊穿電壓的瞬變電壓時， TVS會將瞬變箝位到小于保護器件的擊穿電壓的預(yù)定水平，只需< 1 ns，瞬變電流即可從受保護器件轉(zhuǎn)移至地。
重要的是要確保TVS的擊穿電壓在受保護引腳的正常工作范圍之外。CDSOT23-SM712的獨有特性是具有+13.3 V和–7.5 V的非對稱擊穿電壓，與RS-485芯片ADM3485E的+12 V至–7 V的收發(fā)器共模范圍相匹配，從而提供最佳保護，同時最大限度地減小對RS-485收發(fā)器的過壓應(yīng)力。
圖7：CDSOT23-SM712 TVS特性曲線
圖8：基于TVS陣列的保護方案
方案二
如果要提高浪涌保護級別，保護電路變將得更加復(fù)雜，在方案二中，我們將浪涌保護提高到四級。
在這個方案中，由TVS（CDSOT23-SM712）提供次級保護， TISP（TISP4240M3BJR-S）則提供主保護，主保護器件和次級保護器件之間的協(xié)調(diào)以及過流保護是利用Bourns專利技術(shù)的過流保護器件TBU（TBU-CA065-200-WH）實現(xiàn)的。
圖9：TBU的特性曲線
當(dāng)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TBU，TBU是一個主動高速過流保護元件可阻擋電流，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由于瞬變事件擊穿時，TBU中的電流將升至器件設(shè)置的限流水平。此時， TBU會在小于1 μs時間內(nèi)將受保護電路與浪涌斷開。在瞬變的剩余時間內(nèi)，TBU保持在受保護阻隔狀態(tài)，通過 受保護電路的電流非常小(<1 mA)。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。在瞬變事件后，TBU自動重置到低阻抗狀態(tài)，讓系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。
圖10：TBU與PTC（保險絲Fuse）之間的差異
與所有過流保護技術(shù)相同，TBU具有最大擊穿電壓，因此 主保護器件必須箝位電壓，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體放電管（晶閘管）TISP等技術(shù)實現(xiàn)，例如TISP。TISP充當(dāng)主保護器件，當(dāng)超過其預(yù)定義保護電壓時，它提供瞬變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。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。
圖11：TISP的特性曲線
在限制過壓的過程中，受保護電路短暫暴露在高壓下，因而在切換到低壓保護打開狀態(tài)之前，TISP器件處在擊穿區(qū)域。TBU將保護后端電路，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器件自動重置，以便恢復(fù)正常系統(tǒng)運行。
所有上述三個元件協(xié)同工作，與系統(tǒng)輸入/輸出配 合，一起針對高電壓大電流瞬變?yōu)橄到y(tǒng)提供系統(tǒng)級保護。
圖12：TVS、TBU和TISP協(xié)同工作，提供更高級別保護
方案三
如果保護方案需要應(yīng)對最高6 kV的浪涌瞬變，則需要對方案做些調(diào)整。新方案的工作方式類似于保護方案二；但此電路采用氣體放電管(GDT) 取代TISP來保護TBU，從而保護次級保護器件TVS。相對于TISP，GDT采用氣體放電原理，可針對更大的過壓和過流應(yīng)力提供保護。TISP的額定電流是220 A，GDT的額定電流則是5 kA(按單位導(dǎo)體計算)。
圖13：GDT的特性曲線
GDT主要用作主保護器件，提供低阻抗接地路徑以防止過壓瞬變。當(dāng)瞬變電壓達到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，提供瞬變開路電流接地泄放路徑，將瞬變沖擊電流從受保護器件上轉(zhuǎn)移開。
圖14：用TVS、TBU、GDT協(xié)同工作，可以耐受更大的過壓和過流應(yīng)力
Excelpoint世健公司技術(shù)支持部副總監(jiān)Angus Zhao總結(jié)到：RS-485端口的EMC方案自有套路，了解了保護需要遵循的規(guī)范，熟悉電路保護器件的特性，做出合規(guī)的設(shè)計并不難。
圖15：三個RS485端口的EMC方案保護級別比較
最后，世健公司還介紹了兩個經(jīng)典實用的RS-485端口保護方案，可以通過IEC6100-4-2 ESD, IEC61000-4-4 EFT, IEC61000-4-5 Surge 4級以上EMS安規(guī)測試。
方案一：采用3極GDT+TBU+TVS架構(gòu)方案
方案二：采用2極GDT+TBU+TVS架構(gòu)方案
