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原来全是套路!三个经典的RS-485端口EMC防护方案详解(下)

作者:时间:2018-07-27来源:网络收藏

上一篇文章中,世健公司为大家带来了EMC方案相应的规范要求。这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:

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201807/384251.htm

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。”

图1:传统的架构

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,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则更为复杂。第一个提供四级ESD和EFT和二级浪涌保护。

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 1 ns,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。

图2:CDSOT23-SM712 TVS特性曲线

图3: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。

图4: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(1 mA)。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。


图5: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。

图6: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。

图7: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)。

图8: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。

图9: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: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。

图10:三个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。

方案一:采用3极GDT+TBU+TVS架构方案

方案二:采用2极GDT+TBU+TVS架构方案



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