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RS-485通信網(wǎng)絡(luò)的EMC保護(hù)(下):三個(gè)解決方案

發(fā)布時(shí)間:2014-06-20 來(lái)源:James Scanlon?和?Koenraad Rutgers 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀 】RS-485接口鏈路需要在惡劣電磁環(huán)境下工作,雷擊、靜電放電和其他電磁現(xiàn)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(duì)RS-485通信端口的三種不同成本/保護(hù)級(jí)別,提出并演示三種不同的EMC兼容解決方案。
 
相關(guān)閱讀:RS-485通信網(wǎng)絡(luò)的EMC保護(hù)(上):三個(gè)解決方案
 
瞬變保護(hù)
 
設(shè)計(jì)瞬變保護(hù)電路時(shí),設(shè)計(jì)人員必須考慮以下主要事項(xiàng):
 
1、該電路必須防止或限制瞬變引起的損壞,并允許系統(tǒng)恢復(fù)正常工作,性能影響極小。
2、保護(hù)方案應(yīng)當(dāng)非??煽?,足以處理系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用經(jīng)受到的瞬變類型和電壓水平。
3、瞬變時(shí)長(zhǎng)是一個(gè)重要因素。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間瞬變,熱效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致某些保護(hù)方案失效。
4、正常條件下,保護(hù)電路不得干擾系統(tǒng)運(yùn)行。
5、如果保護(hù)電路因?yàn)檫^(guò)應(yīng)力而失效,它應(yīng)以保護(hù)系統(tǒng)的方式失效。
 
圖5顯示一個(gè)典型保護(hù)方案,其特征是具有兩重保護(hù):主保護(hù)和次級(jí)保護(hù)。主保護(hù)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。它旨在將瞬變分流至地,從而消除大部分能量。
 
次級(jí)保護(hù)的目的是保護(hù)系統(tǒng)各個(gè)部件,使其免受主保護(hù)允許通過(guò)的任何瞬態(tài)電壓和電流的損壞。它經(jīng)過(guò)優(yōu)化,確保能夠抵御殘余瞬變影響,同時(shí)允許系統(tǒng)的敏感部分正常工作。主保護(hù)和次級(jí)保護(hù)的設(shè)計(jì)必須與系統(tǒng)I/O協(xié)同工作,從而最大程度地降低對(duì)受保護(hù)電路的壓力,這點(diǎn)很重要。主保護(hù)器件與次級(jí)保護(hù)器件之間一般有一個(gè)協(xié)調(diào)元件,如電阻或非線性過(guò)流保護(hù)器件等,用以確保二者協(xié)同應(yīng)對(duì)瞬變。
 
 
圖5:保護(hù)方案框圖
 
RS-485瞬變抑制網(wǎng)絡(luò)
 
就特性而言,EMC瞬態(tài)事件在時(shí)間上會(huì)有變化,因此保護(hù)元件必須具有動(dòng)態(tài)性能,而且其動(dòng)態(tài)特性需要與受保護(hù)器件的輸入/輸出極相匹配,這樣才能實(shí)現(xiàn)成功的EMC設(shè)計(jì)。器件數(shù)據(jù)手冊(cè)一般只包含直流數(shù)據(jù),由于動(dòng)態(tài)擊穿和I/V特性可能與直流值存在很大差異,因此這些數(shù)據(jù)沒(méi)有太多價(jià)值。必須進(jìn)行精心設(shè)計(jì)并確定特性,了解受保護(hù)器件的輸入/輸出級(jí)的動(dòng)態(tài)性能,并且使用保護(hù)元件,才能確保電路達(dá)到EMC標(biāo)準(zhǔn)。
 
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(gè)解決方案都經(jīng)過(guò)獨(dú)立外部EMC兼容性測(cè)試公司的認(rèn)證,各方案使用精選的Bourns外部電路保護(hù)元件,針對(duì)ADI公司具有增強(qiáng)ESD保護(hù)性能的ADM3485E 3.3 V RS-485收發(fā)器提供不同的成本/保護(hù)級(jí)別。所用的Bourns外部電路保護(hù)元件包括瞬態(tài)電壓抑制器(CDSOT23-SM712)、瞬態(tài)閉鎖單元(TBU-CA065-200-WH)、晶閘管電涌保護(hù)器(TISP4240M3BJR-S)和氣體放電管(2038-15-SM-RPLF)。
 
每種解決方案都經(jīng)過(guò)特性測(cè)試,確保保護(hù)元件的動(dòng)態(tài)I/V性能可以保護(hù)ADM3485E RS-485總線引腳的動(dòng)態(tài)I/V特性,使得ADM3485E輸入/輸出級(jí)與外部保護(hù)元件協(xié)同防范瞬變事件。
 
 
圖6:三個(gè)EMC兼容ADM3485E電路(原理示意圖,未顯示所有連接)
 
保護(hù)方案1
 
前面說(shuō)過(guò),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(gè)數(shù)量級(jí)。針對(duì)ESD和EFT的保護(hù)可通過(guò)相似方式實(shí)現(xiàn),但針對(duì)高電涌級(jí)別的保護(hù)解決方案則更為復(fù)雜。第一個(gè)解決方案提供四級(jí)ESD和EFT保護(hù)及二級(jí)電涌保護(hù)。本文描述的所有電涌測(cè)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(gè)雙向TVS二極管,非常適合保護(hù)RS-485系統(tǒng),過(guò)應(yīng)力極小,同時(shí)支持RS-485收發(fā)器上的全范圍RS-485信號(hào)和共模偏移(–7 V至+12 V)。表1顯示針對(duì)ESD、EFT和電涌瞬變的電壓保護(hù)級(jí)別。
 
 
表1:解決方案1保護(hù)級(jí)別
 
TVS是基于硅的器件。在正常工作條件下,TVS具有很高的對(duì)地阻抗;理想情況下它是開路。保護(hù)方法是將瞬態(tài)導(dǎo)致的過(guò)壓箝位到電壓限值。這是通過(guò)PN結(jié)的低阻抗雪崩擊穿實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)產(chǎn)生大于TVS的擊穿電壓的瞬態(tài)電壓時(shí),TVS會(huì)將瞬態(tài)箝位到小于保護(hù)器件的擊穿電壓的預(yù)定水平。瞬變立即受到箝位(< 1 ns),瞬態(tài)電流從受保護(hù)器件轉(zhuǎn)移至地。
 
重要的是要確保TVS的擊穿電壓在受保護(hù)引腳的正常工作范圍之外。CDSOT23-SM712的獨(dú)有特性是具有+13.3 V和–7.5 V的非對(duì)稱擊穿電壓,與+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(hù),同時(shí)最大程度減小對(duì)ADM3485E RS-485收發(fā)器的過(guò)壓應(yīng)力。
 
 
圖7:CDSOT23-SM712 I/V特性
[page]
 
保護(hù)方案2
 
上一解決方案可提供最高四級(jí)ESD和EFT保護(hù),但只能提供二級(jí)電涌保護(hù)。為了提高電涌保護(hù)級(jí)別,保護(hù)電路變得更加復(fù)雜。以下保護(hù)方案可以提供最高四級(jí)電涌保護(hù)。
 
CDSOT23-SM712專門針對(duì)RS-485數(shù)據(jù)端口設(shè)計(jì)。以下兩個(gè)電路基于CDSOT23-SM712構(gòu)建,提供更高級(jí)別的電路保護(hù)。CDSOT23-SM712提供次級(jí)保護(hù),而TISP4240M3BJR-S提供主保護(hù)。主從保護(hù)器件與過(guò)流保護(hù)之間的協(xié)調(diào)通過(guò)TBU-CA065-200-WH完成。表2顯示使用此保護(hù)電路的ESD、EFT和電涌瞬變保護(hù)電壓級(jí)別。
 
 
表2:解決方案2保護(hù)級(jí)別
 
當(dāng)瞬變能量施加于保護(hù)電路時(shí),TVS將會(huì)擊穿,通過(guò)提供低阻抗的接地路徑來(lái)保護(hù)器件。由于電壓和電流較高,還必須通過(guò)限制通過(guò)的電流來(lái)保護(hù)TVS。這可采用瞬態(tài)閉鎖單元(TBU)實(shí)現(xiàn),它是一個(gè)主動(dòng)高速過(guò)流保護(hù)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(lián)元件,它會(huì)對(duì)通過(guò)器件的電流做出反應(yīng),而不是對(duì)接口兩端的電壓做出反應(yīng)。TBU是一個(gè)高速過(guò)流保護(hù)元件,具有預(yù)設(shè)電流限值和耐高壓能力。當(dāng)發(fā)生過(guò)流,TVS由于瞬態(tài)事件擊穿時(shí),TBU中的電流將升至器件設(shè)置的限流水平。此時(shí),TBU會(huì)在不足1 μs時(shí)間內(nèi)將受保護(hù)電路與電涌斷開。在瞬變的剩余時(shí)間內(nèi),TBU保持在受保護(hù)阻隔狀態(tài),只有極小的電流(<1 mA)通過(guò)受保護(hù)電路。在正常工作條件下,TBU具有低阻抗,因此它對(duì)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(tài)事件后,TBU自動(dòng)復(fù)位至低阻抗?fàn)顟B(tài),允許系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。
 
與所有過(guò)流保護(hù)技術(shù)相同,TBU具有最大擊穿電壓,因此主保護(hù)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態(tài)晶閘管等技術(shù)實(shí)現(xiàn),例如完全集成電涌保護(hù)器(TISP)。TISP充當(dāng)主保護(hù)器件。當(dāng)超過(guò)其預(yù)定義保護(hù)電壓時(shí),它提供瞬態(tài)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(hù)器件轉(zhuǎn)移開。
 
TISP的非線性電壓-電流特性通過(guò)轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的電流來(lái)限制過(guò)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(dòng)作而導(dǎo)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(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(dòng)作。在限制過(guò)壓的過(guò)程中,受保護(hù)電路短暫暴露在高壓下,因而在切換到低壓保護(hù)導(dǎo)通狀態(tài)之前,TISP器件處在擊穿區(qū)域。TBU將保護(hù)下游電路,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(shí),TISP器件自動(dòng)復(fù)位,以便恢復(fù)正常系統(tǒng)運(yùn)行。
 
如上所述,所有三個(gè)器件與系統(tǒng)I/O協(xié)同工作來(lái)保護(hù)系統(tǒng)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(hù)方案3
 
常常需要四級(jí)以上的電涌保護(hù)。此保護(hù)方案可保護(hù)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(hù)解決方案2,但此電路采用氣體放電管(GDT)取代TISP來(lái)保護(hù)TBU,進(jìn)而保護(hù)次級(jí)保護(hù)器件TVS。GDT將針對(duì)高于前一種保護(hù)機(jī)制中所述TISP的過(guò)壓和過(guò)流應(yīng)力提供保護(hù)。此保護(hù)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(gè)導(dǎo)體的額定電流為5 kA。表3顯示此設(shè)計(jì)提供的保護(hù)級(jí)別。
 
 
表3:解決方案3保護(hù)級(jí)別
 
GDT主要用作主保護(hù)器件,提供低阻抗接地路徑以防止過(guò)壓瞬變。當(dāng)瞬態(tài)電壓達(dá)到GDT火花放電電壓時(shí),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,提供瞬態(tài)開路電流接地路徑,將瞬態(tài)電流從受保護(hù)器件上轉(zhuǎn)移開。
 
圖9顯示GDT的典型特性。當(dāng)GDT兩端的電壓增大時(shí),放電管中的氣體由于產(chǎn)生的電荷開始電離。這稱為輝光區(qū)。在此區(qū)域中,增加的電流將產(chǎn)生雪崩效應(yīng),將GDT轉(zhuǎn)換為虛擬短路,允許電流通過(guò)器件。在短路事件中,器件兩端產(chǎn)生的電壓稱為弧電壓。輝光區(qū)和電弧區(qū)之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間主要取決于器件的物理特性。
 
 
圖9:GDT特性波形
 
結(jié)論
 
本文說(shuō)明了處理瞬變抗擾度的三種IEC標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中,RS-485通信端口遇到這些瞬變時(shí)可能遭到損壞。EMC問(wèn)題如果是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期后期才發(fā)現(xiàn),可能需要重新設(shè)計(jì),導(dǎo)致計(jì)劃延遲,代價(jià)巨大。因此,EMC問(wèn)題應(yīng)在設(shè)計(jì)周期開始時(shí)就予以考慮,否則可能后悔莫及,無(wú)法實(shí)現(xiàn)所需的EMC性能。
 
在設(shè)計(jì)面向RS-485網(wǎng)絡(luò)的EMC兼容解決方案時(shí),主要難題是讓外部保護(hù)元件的動(dòng)態(tài)性能與RS-485器件輸入/輸出結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)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(shè)計(jì)人員可按照所需的保護(hù)級(jí)別選擇保護(hù)方案。EVAL-CN0313-SDPZ是業(yè)界首個(gè)EMC兼容RS-485客戶設(shè)計(jì)工具,針對(duì)ESD、EFT和電涌提供最高四級(jí)保護(hù)。表4總結(jié)了不同保護(hù)方案提供的保護(hù)級(jí)別。雖然這些設(shè)計(jì)工具不能取代所需的系統(tǒng)級(jí)嚴(yán)格評(píng)估和專業(yè)資質(zhì),但能夠讓設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)周期早期降低由于EMC問(wèn)題導(dǎo)致的項(xiàng)目延誤風(fēng)險(xiǎn),從而縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間和上市時(shí)間。欲了解更多信息,請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.analog.com/zh/RS485emc
 
 
表4:三種ADM3485E EMC兼容解決方案
 
 
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