在实际的工业、电力、自动化及仪器仪表应用中,RS-485总线标准是使用最广泛的物理层总线设计标准之一,由于其会在恶劣电磁环境下工作,为了确保这些数据端口能够在最终安装环境中正常工作,它们必须符合相关的电磁兼容性(EMC)法规。在本文中,世健公司结合优势的代理线ADI( RS-485芯片)、Bourns(在端口EMC防护方面的器件),从原理分析到实测来为大家带来详细的RS485的端口防护分析。

在RS-485端口的EMC设计中,我们需要重点考虑三个因素:静电放电(ESD)、电快速瞬变(EFT)和浪涌(Surge)。 国际电工委员会(IEC)规范定义了一组EMC抗扰度要求,这组规范包括以下三种类型的高电压瞬变,设计人员需要确保数据通信线路不受这些瞬变的损害。这三种类型分别是:

  • IEC 61000-4-2静电放电(ESD)
  • IEC 61000-4-4电快速瞬变(EFT)
  • IEC 61000-4-5浪涌抗扰度(Surge)

Excelpoint世健公司技术支持部副总监Angus Zhao说:“RS-485端口的保护方案就是要设法去满足ESD、EFT、Surge这三种规范的要求。所以想要设计出合规的RS-485端口EMC方案,首先就要透彻了解这三个规范。”国内针对IEC标准也有同样的等同标准可以参考,比如在电力及输配电应用中,很多采用了GB/T17626.2 ESD, GB/T17626.4 EFT, GB/T17626.5 Surge的对应标准规范,本文以IEC标准为例说明。

静电放电

静电放电(ESD)是指两个电位不同的带电体之间因为近接触或电场的传导而突然产生静电电荷的传输。其特性是在较短的时间内有较大的电流。IEC 61000-4-2测试的主要目,就是确定系统在工作过程中对系统外部ESD事件的抗扰度。IEC 61000-4-2规定了不同环境状况下的电压测试级别,共分4个级别。1级最轻微,4级最严重。1级和2级适合拥有防静电材料的 受控环境中安装的产品。3级和4级适合情况更严重的环境中安装的产品,这类环境下更常发生带有较高电压的ESD事件。

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图1:ESD 特性曲线。

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图2:IEC 61000-4-2 ESD测试级别和安装类别。

电快速瞬变(脉冲群)

电快速瞬变(EFT)测试的是,将大量极快的瞬变脉冲耦合到信号线上,系统与外部开关电路关联的瞬变干扰,这类电路能够以容性方式耦合至通信端口。EFT的缠上包括继电器和开关触点抖动,或者因为感性或容性负载切换而产生的瞬变, 而所有这些在工业环境中都很常见。EC 61000-4-4中定义的 EFT测试,就是去模拟这些事件产生的干扰。

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图3:EFT特性曲线。

IEC 61000-4-4规定了不同环境状况下的电压测试级别,分为4级。同时规定了不同测试级别对应的测试电压和脉冲重复速率。

  • 1级 表示保护措施很好的环境
  • 2级 表示受保护的环境
  • 3级 表示典型的工业环境
  • 4级 表示恶劣的工业环境

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图4:IEC 61000-4-4 EFT测试级别。

浪涌(Surge)

浪涌通常由开关操作造成的过压情况或雷击造成。开关瞬变的起因可能是电力系统切换、配电系统中的负载变化或各种系统故障。雷击瞬变的起因可能是附近的雷击导致向电路中注入了较大的电流和电压。IEC 61000-4-5定义了在容易受到这些浪涌现象影响的情况下用于评估电子电气设备抗扰度的波形、测试方法和测试级别。

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图5:Surge特性曲线。

浪涌的能量级别可以达到ESD或EFT脉冲能量级别的三到四个数量级。因此,浪涌可以视作是EMC瞬变规范中最严重的一种。 由于ESD和EFT之间的相似性,相应的电路保护设计也很相似,但是由于浪涌的能量大,因此必须采取不同的处理方式。

Excelpoint世健公司技术支持部副总监Angus Zhao说:“开发EMC保护电路的过程,就是要根据实际应用的场景,达到相应的上述三种瞬变的抗扰度的规范要求,同时又要保证成本效益。这看似复杂的工作,实际上有它自己的原则和套路可循。”

RS-485端口EMC方案相应的规范要求实际上就是保护电路设计需要达到的目标。为了达成这样的目标,自有其设计原则:

针对瞬变提供保护,主要有两种方式:过流保护用于限制峰值电流;过压保护用于限制峰值电压。典型的保护方案设计包括主保护和次级保护。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,它能够将瞬变转移到大地,从而移走绝大部分的能量。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变电压和电流的损坏。次级保护通常更侧重于面向受保护系统的具体部件。它经过优化,可以确保针对上述残余瞬变提供保护,同时还允许系统的这些敏感部件正常工作。Excelpoint世健技术支持部副总监Angus Zhao说:“这两种方式必须确保主设计和次级设计能够一起配合系统输入/输出,以便最大限度地降低对受保护电路造成的应力。同时在设计中,一般在主保护器件和次级保护器件之间会有一个协调元件,例如电阻或非线性过流保护器件,以确保能够进行协调。”

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图6:传统的EMC防护解决方案架构。

按照以上的规范要求和设计原则,下面我们提供三种不同级别的EMC防护解决方案,这些方案都已经经过了第三方独立EMC兼容性测试的认证。方案中用到的元器件包括:

  • ADM3485EARZ 3.3 V RS-485收发器(ADI)
  • TVS瞬变电压抑制器CDSOT23-SM712 (Bourns)
  • TBU瞬变闭锁单元TBU-CA065-200-WH (Bourns)
  • TIST晶闸管浪涌保护器TISP4240M3BJR-S (Bourns)
  • GDT气体放电管2038-15-SM-RPLF (Bourns)

方案一

EFT和ESD瞬变的能量级别类似,浪涌波形的能量级别则高出三到四个数量级。针对ESD和EFT的保护可通过相似的方式完成,针对高级别浪涌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和二级浪涌保护。

此解决方案使用Bourns公司的CDSOT23-SM712 TVS阵列,它包括两个双向TVS二极管。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的。保护方法是将瞬变导致的过压箝位到电压限值。这是通PN结的低阻抗雪崩击穿实现的。当产生大于TVS的击穿电压的瞬变电压时, TVS会将瞬变箝位到小于保护器件的击穿电压的预定水平,只需小于1ns,瞬变电流即可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RS-485芯片ADM3485E的+12 V至–7 V的收发器共模范围相匹配,从而提供最佳保护,同时最大限度地减小对RS-485收发器的过压应力。

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图7:CDSOT23-SM712 TVS特性曲线。

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图8:基于TVS阵列的保护方案。

方案二

如果要提高浪涌保护级别,保护电路变将得更加复杂,在方案二中,我们将浪涌保护提高到四级。

在这个方案中,由TVS(CDSOT23-SM712)提供次级保护, TISP(TISP4240M3BJR-S)则提供主保护,主保护器件和次级保护器件之间的协调以及过流保护是利用Bourns专利技术的过流保护器件TBU(TBU-CA065-200-WH)实现的。

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图9:TBU的特性曲线。

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TBU,TBU是一个主动高速过流保护元件可阻挡电流,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由于瞬变事件击穿时,TBU中的电流将升至器件设置的限流水平。此时, TBU会在小于1 μs时间内将受保护电路与浪涌断开。在瞬变的剩余时间内,TBU保持在受保护阻隔状态,通过 受保护电路的电流非常小(小于1mA)。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。在瞬变事件后,TBU自动重置到低阻抗状态,让系统恢复正常工作。

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图10:TBU与PTC(保险丝Fuse)之间的差异。

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体放电管(晶闸管)TISP等技术实现,例如TISP。TISP充当主保护器件,当超过其预定义保护电压时,它提供瞬变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。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。

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图11:TISP的特性曲线。

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打开状态之前,TISP器件处在击穿区域。TBU将保护后端电路,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器件自动重置,以便恢复正常系统运行。

所有上述三个元件协同工作,与系统输入/输出配 合,一起针对高电压大电流瞬变为系统提供系统级保护。

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图12:TVS、TBU和TISP协同工作,提供更高级别保护。

方案三

如果保护方案需要应对最高6 kV的浪涌瞬变,则需要对方案做些调整。新方案的工作方式类似于保护方案二;但此电路采用气体放电管(GDT) 取代TISP来保护TBU,从而保护次级保护器件TVS。相对于TISP,GDT采用气体放电原理,可针对更大的过压和过流应力提供保护。TISP的额定电流是220 A,GDT的额定电流则是5 kA(按单位导体计算)。

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图13:GDT的特性曲线。

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。当瞬变电压达到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,提供瞬变开路电流接地泄放路径,将瞬变冲击电流从受保护器件上转移开。

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图14:用TVS、TBU、GDT协同工作,可以耐受更大的过压和过流应力。

Excelpoint世健公司技术支持部副总监Angus Zhao总结到:RS-485端口的EMC方案自有套路,了解了保护需要遵循的规范,熟悉电路保护器件的特性,做出合规的设计并不难。

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图15:三个RS485端口的EMC方案保护级别比较。

最后,世健公司还介绍了两个经典实用的RS-485端口保护方案,可以通过IEC6100-4-2 ESD, IEC61000-4-4 EFT, IEC61000-4-5 Surge 4级以上EMS安规测试。

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图16:方案一,采用3极GDT+TBU+TVS架构方案。

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图17:方案二,采用2极GDT+TBU+TVS架构方案。

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