【導讀 】RS-485接口鏈路需要在惡劣電磁環境下工作，雷擊、靜電放電和其他電磁現象引起的大瞬變電壓可能損壞通信端口。本文介紹各主要瞬變類型，并針對RS-485通信端口的三種不同成本/保護級別，提出并演示三種不同的EMC兼容解決方案。
瞬變保護
設計瞬變保護電路時，設計人員必須考慮以下主要事項：
1、該電路必須防止或限制瞬變引起的損壞，并允許系統恢復正常工作，性能影響極小。
2、保護方案應當非常可靠，足以處理系統在實際應用經受到的瞬變類型和電壓水平。
3、瞬變時長是一個重要因素。對于長時間瞬變，熱效應可能會導致某些保護方案失效。
4、正常條件下，保護電路不得干擾系統運行。
5、如果保護電路因為過應力而失效，它應以保護系統的方式失效。
圖5顯示一個典型保護方案，其特征是具有兩重保護：主保護和次級保護。主保護可將大部分瞬變能量從系統轉移開，通常位于系統和環境之間的接口。它旨在將瞬變分流至地，從而消除大部分能量。
次級保護的目的是保護系統各個部件，使其免受主保護允許通過的任何瞬態電壓和電流的損壞。它經過優化，確保能夠抵御殘余瞬變影響，同時允許系統的敏感部分正常工作。主保護和次級保護的設計必須與系統I/O協同工作，從而最大程度地降低對受保護電路的壓力，這點很重要。主保護器件與次級保護器件之間一般有一個協調元件，如電阻或非線性過流保護器件等，用以確保二者協同應對瞬變。
圖5：保護方案框圖
RS-485瞬變抑制網絡
就特性而言，EMC瞬態事件在時間上會有變化，因此保護元件必須具有動態性能，而且其動態特性需要與受保護器件的輸入/輸出極相匹配，這樣才能實現成功的EMC設計。器件數據手冊一般只包含直流數據，由于動態擊穿和I/V特性可能與直流值存在很大差異，因此這些數據沒有太多價值。必須進行精心設計并確定特性，了解受保護器件的輸入/輸出級的動態性能，并且使用保護元件，才能確保電路達到EMC標準。
圖6所示電路顯示了三種不同的完整的EMC兼容解決方案。每個解決方案都經過獨立外部EMC兼容性測試公司的認證，各方案使用精選的Bourns外部電路保護元件，針對ADI公司具有增強ESD保護性能的ADM3485E 3.3 V RS-485收發器提供不同的成本/保護級別。所用的Bourns外部電路保護元件包括瞬態電壓抑制器(CDSOT23-SM712)、瞬態閉鎖單元(TBU-CA065-200-WH)、晶閘管電涌保護器(TISP4240M3BJR-S)和氣體放電管(2038-15-SM-RPLF)。
每種解決方案都經過特性測試，確保保護元件的動態I/V性能可以保護ADM3485E RS-485總線引腳的動態I/V特性，使得ADM3485E輸入/輸出級與外部保護元件協同防范瞬變事件。
圖6：三個EMC兼容ADM3485E電路（原理示意圖，未顯示所有連接）
保護方案1
前面說過，EFT和ESD瞬變具有相似的能量水平，而電涌波形的能量水平則高出三到四個數量級。針對ESD和EFT的保護可通過相似方式實現，但針對高電涌級別的保護解決方案則更為復雜。第一個解決方案提供四級ESD和EFT保護及二級電涌保護。本文描述的所有電涌測試都使用1.2/50 μs波形。
此解決方案使用Bourns公司的CDSOT23-SM712瞬變電壓抑制器(TVS)陣列，它包括兩個雙向TVS二極管，非常適合保護RS-485系統，過應力極小，同時支持RS-485收發器上的全范圍RS-485信號和共模偏移（–7 V至+12 V）。表1顯示針對ESD、EFT和電涌瞬變的電壓保護級別。
表1：解決方案1保護級別
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。保護方法是將瞬態導致的過壓箝位到電壓限值。這是通過PN結的低阻抗雪崩擊穿實現的。當產生大于TVS的擊穿電壓的瞬態電壓時，TVS會將瞬態箝位到小于保護器件的擊穿電壓的預定水平。瞬變立即受到箝位（< 1 ns），瞬態電流從受保護器件轉移至地。
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+12 V至–7 V的收發器共模范圍相匹配，從而提供最佳保護，同時最大程度減小對ADM3485E RS-485收發器的過壓應力。
圖7：CDSOT23-SM712 I/V特性
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保護方案2
上一解決方案可提供最高四級ESD和EFT保護，但只能提供二級電涌保護。為了提高電涌保護級別，保護電路變得更加復雜。以下保護方案可以提供最高四級電涌保護。
CDSOT23-SM712專門針對RS-485數據端口設計。以下兩個電路基于CDSOT23-SM712構建，提供更高級別的電路保護。CDSOT23-SM712提供次級保護，而TISP4240M3BJR-S提供主保護。主從保護器件與過流保護之間的協調通過TBU-CA065-200-WH完成。表2顯示使用此保護電路的ESD、EFT和電涌瞬變保護電壓級別。
表2：解決方案2保護級別
當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。這可采用瞬態閉鎖單元(TBU)實現，它是一個主動高速過流保護元件。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。作為串聯元件，它會對通過器件的電流做出反應，而不是對接口兩端的電壓做出反應。TBU是一個高速過流保護元件，具有預設電流限值和耐高壓能力。當發生過流，TVS由于瞬態事件擊穿時，TBU中的電流將升至器件設置的限流水平。此時，TBU會在不足1 μs時間內將受保護電路與電涌斷開。在瞬變的剩余時間內，TBU保持在受保護阻隔狀態，只有極小的電流(<1 mA)通過受保護電路。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。在瞬態事件后，TBU自動復位至低阻抗狀態，允許系統恢復正常工作。
與所有過流保護技術相同，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至地。這通常使用氣體放電管或固態晶閘管等技術實現，例如完全集成電涌保護器(TISP)。TISP充當主保護器件。當超過其預定義保護電壓時，它提供瞬態開路低阻抗接地路徑，從而將大部分瞬變能量從系統和其他保護器件轉移開。
TISP的非線性電壓-電流特性通過轉移產生的電流來限制過壓。作為晶閘管，TISP具有非連續電壓-電流特性，它是由于高電壓區和低電壓區之間的切換動作而導致的。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之前，它具有低阻抗接地路徑以分流瞬變能量，雪崩擊穿區域則導致了箝位動作。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導通狀態之前，TISP器件處在擊穿區域。TBU將保護下游電路，防止由于這種高電壓導致的高電流造成損壞。當轉移電流降低到臨界值以下時，TISP器件自動復位，以便恢復正常系統運行。
如上所述，所有三個器件與系統I/O協同工作來保護系統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
保護方案3
常常需要四級以上的電涌保護。此保護方案可保護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解決方案2，但此電路采用氣體放電管(GDT)取代TISP來保護TBU，進而保護次級保護器件TVS。GDT將針對高于前一種保護機制中所述TISP的過壓和過流應力提供保護。此保護方案的GDT是Bourns公司的2038-15-SM-RPLF。TISP額定電流為220 A，而GDT每個導體的額定電流為5 kA。表3顯示此設計提供的保護級別。
表3：解決方案3保護級別
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。當瞬態電壓達到GDT火花放電電壓時，GDT將從高阻抗關閉狀態切換到電弧模式。在電弧模式下，GDT成為虛擬短路，提供瞬態開路電流接地路徑，將瞬態電流從受保護器件上轉移開。
圖9顯示GDT的典型特性。當GDT兩端的電壓增大時，放電管中的氣體由于產生的電荷開始電離。這稱為輝光區。在此區域中，增加的電流將產生雪崩效應，將GDT轉換為虛擬短路，允許電流通過器件。在短路事件中，器件兩端產生的電壓稱為弧電壓。輝光區和電弧區之間的轉換時間主要取決于器件的物理特性。
圖9：GDT特性波形
結論
本文說明了處理瞬變抗擾度的三種IEC標準。在實際工業應用中，RS-485通信端口遇到這些瞬變時可能遭到損壞。EMC問題如果是在產品設計周期后期才發現，可能需要重新設計，導致計劃延遲，代價巨大。因此，EMC問題應在設計周期開始時就予以考慮，否則可能后悔莫及，無法實現所需的EMC性能。
在設計面向RS-485網絡的EMC兼容解決方案時，主要難題是讓外部保護元件的動態性能與RS-485器件輸入/輸出結構的動態性能相匹配。
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，設計人員可按照所需的保護級別選擇保護方案。EVAL-CN0313-SDPZ是業界首個EMC兼容RS-485客戶設計工具，針對ESD、EFT和電涌提供最高四級保護。表4總結了不同保護方案提供的保護級別。雖然這些設計工具不能取代所需的系統級嚴格評估和專業資質，但能夠讓設計人員在設計周期早期降低由于EMC問題導致的項目延誤風險，從而縮短產品設計時間和上市時間。欲了解更多信息，請訪問www.analog.com/zh/RS485emc
表4：三種ADM3485E EMC兼容解決方案
