保护RS-485通信网络不受有害EMC事件影响

　　引言

　　在实际工业和仪器仪表(I&I)应用中，RS-485接口链路需要在恶劣电磁环境下工作。雷击、静电放电和其他电磁现象引起的大瞬变电压可能损坏通信端口。为了确保这些数据端口能够在最终安装环境中正常工作，它们必须符合有关的电磁兼容性(EMC)法规。

　　这些要求包括三个主要瞬变抗扰度标准：静电放电、电快速瞬变和电涌。

　　ADI公司和Bourns, Inc.携手合作，共同开发了业界首个EMC兼容RS-485接口设计工具，提供针对IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4 EFT和IEC 61000-4-5电涌的四级保护，从而扩展面向系统的解决方案组合。

　　1 RS-485标准

　　工业与仪器仪表(I&I)应用常常需要在距离很远的多个系统之间传输数据。RS-485电气标准是I&I应用中使用最广泛的物理层规范之一，I&I应用包括：工业自动化、过程控制、电机控制和运动控制、远程终端、楼宇自动化(暖通空调HVAC等)、安保系统和再生能源等。

　　使RS-485成为I&I通信应用理想之选的一些关键特性如下：

　　• 长距离链路——最长4000英尺;

　　• 可在一对绞线电缆上双向通信;

　　• 差分传输可提高共模噪声抗扰度，减少噪声辐射;

　　• 可将多个驱动器和接收器连接至同一总线;

　　• 宽共模范围(–7 V至+12 V)允许驱动器与接收器之间存在地电位差异;

　　• TIA/EIA-485-A允许数据速率达到数十Mbps。

　　TIA/EIA-485-A描述RS-485接口的物理层，通常与Profibus、Interbus、Modbus或BACnet等更高层协议配合使用，能够在相对较长的距离内实现稳定的数据传输。

　　2 电磁兼容性

　　电磁环境由辐射和传导两种能量组成，因此EMC包括两个方面：发射和耐受性。EMC是指电气系统在目标电磁环境下保持良好性能且不会向该环境引入大量电磁干扰的能力。

　　自1996年以来，向欧盟出售或在欧盟范围内出售的所有电子设备都必须达到IEC 61000-4-x规范定义的EMC级别。

　　IEC 61000规范定义了一组EMC抗扰度要求，适用于在住宅、商业和轻工业环境中使用的电气和电子设备。这组规范包括以下三类高电压瞬变，电子设计人员必须确保数据通信线路不受它们损害：

　　• IEC 61000-4-2静电放电(ESD);

　　• IEC 61000-4-4电快速瞬变(EFT);

　　• IEC 61000-4-5电涌耐受性。

　　3 静电放电(ESD)

　　ESD是指静电荷在不同电位的实体之间的突然传输，由靠近接触或电场感应引起。其特征是在短时间内产生高电流。IEC 61000-4-2测试的主要目的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描述了两种耦合测试方法，即所谓接触放电和空气放电。接触放电要求放电枪与受测单元直接接触。在空气放电测试期间，放电枪的充电电极朝向受测单元移动，直到气隙上发生电弧放电。放电枪不与受测单元直接接触。空气放电测试的结果和可重复性会受到多种因素的影响，包括湿度、温度、气压、距离和放电枪逼近受测单元的速率。这种方法能够更好地反映实际ESD事件，但可重复性较差。因此，接触放电是首选测试方法。

　　测试期间，数据端口须经受至少10次正极放电和10次负极放电，脉冲之间间隔1秒。测试电压的选择取决于系统端环境。规定的最高测试为4级，要求接触放电电压为±8 kV，空气放电电压为±15 kV。

　　图1显示了规范所述的8 kV接触放电电流波形。一些关键波形参数包括小于1 ns的上升时间和大约60 ns的脉冲宽度。这说明脉冲总能量约为数十mJ。

　　4 电快速瞬变(EFT)

　　电快速瞬变测试要求将数个极端快速的瞬变脉冲耦合到信号线上，以代表容性耦合到通信端口的外部开关电路的瞬态干扰，这种干扰可能包括继电器和开关触点抖动，以及切换感性或容性负载引起的瞬变，所有这些在工业环境中非常常见。EC 61000-4-4中定义的EFT测试尝试模拟因为这些类型的事件产生的干扰。

　　5 电涌瞬变

　　电涌瞬变由开关或雷电瞬变产生的过压引起。开关瞬变的原因可以是电源系统切换、电源分配系统的负载变化或短路等各种系统故障。雷电瞬变的原因可以是附近的雷击将高电流和电压注入电路中。IEC 61000-4-5定义了用于评估对这些破坏性电涌的抗扰度的波形、测试方法和测试级别。

　　波形定义为开路电压和短路电流下波形发生器的输出。标准描述了两种波形。10/700 μs组合波形用于测试要连接到对称通信线路的端口，例如电话交换线。1.2/50 μs组合波形发生器用于所有其他情形，特别是短距离信号连接。RS-485端口主要使用1.2/50 µs波形。波形发生器的有效输出阻抗为2 Ω，因此电涌瞬变相关的电流非常高。

　　6 瞬变保护

　　设计瞬变保护电路时，设计人员必须考虑以下主要事项：

　　1. 该电路必须防止或限制瞬变引起的损坏，并允许系统恢复正常工作，性能影响极小。

　　2. 保护方案应当非常可靠，足以处理系统在实际应用经受到的瞬变类型和电压水平。

　　3. 瞬变时长是一个重要因素。对于长时间瞬变，热效应可能会导致某些保护方案失效。

　　4. 正常条件下，保护电路不得干扰系统运行。

　　5. 如果保护电路因为过应力而失效，它应以保护系统的方式失效。

　　7 RS-485瞬变抑制网络

　　就特性而言，EMC瞬态事件在时间上会有变化，因此保护元件必须具有动态性能，而且其动态特性需要与受保护器件的输入/输出相匹配，这样才能实现成功的EMC设计。器件数据手册一般只包含直流数据，由于动态击穿和I/V特性可能与直流值存在很大差异，因此这些数据没有太多价值。必须进行精心设计并确定特性，了解受保护器件的输入/输出级的动态性能，并且使用保护元件，才能确保电路达到EMC标准。

　　图2所示电路显示了三种不同的完整的EMC兼容解决方案。每个解决方案都经过独立外部EMC兼容性测试公司的认证，各方案使用精选的Bourns外部电路保护元件，针对ADI公司具有增强ESD保护性能的ADM3485E 3.3 V RS-485收发器提供不同的成本/保护级别。所用的Bourns外部电路保护元件包括瞬态电压抑制器(CDSOT23-SM712)、瞬态闭锁单元(TBU-CA065-200-WH)、晶闸管电涌保护器(TISP4240M3BJR-S)和气体放电管(2038-15-SM-RPLF)。

　　每种解决方案都经过特性测试，确保保护元件的动态I/V性能可以保护ADM3485E RS-485总线引脚的动态I/V特性，使得ADM3485E输入/输出级与外部保护元件协同防范瞬变事件。

　　8 保护方案1

　　前面说过，EFT和ESD瞬变具有相似的能量水平，而电涌波形的能量水平则高出三到四个数量级。针对ESD和EFT的保护可通过相似方式实现，但针对高电涌级别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保护及二级电涌保护。本文描述的所有电涌测试都使用1.2/50 μs波形。

　　此解决方案使用Bourns公司的CDSOT23-SM712瞬变电压抑制器(TVS)阵列，它包括两个双向TVS二极管，非常适合保护RS-485系统，过应力极小，同时支持RS-485收发器上的全范围RS-485信号和共模偏移(–7 V至+12 V)。

　　9 保护方案2

　　上一解决方案可提供最高四级ESD和EFT保护，但只能提供二级电涌保护。为了提高电涌保护级别，保护电路变得更加复杂。以下保护方案可以提供最高四级电涌保护。

　　CDSOT23-SM712专门针对RS-485数据端口设计。以下两个电路基于CDSOT23-SM712构建，提供更高级别的电路保护。CDSOT23-SM712提供次级保护，而TISP4240M3BJR-S提供主保护。主从保护器件与过流保护之间的协调通过TBU-CA065-200-WH完成。

　　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。这可采用瞬态闭锁单元(TBU)实现，它是一个主动高速过流保护元件。此解决方案中的TBU是Bourns TBU-CA065-200-WH。

　　10 保护方案3

　　常常需要四级以上的电涌保护。此保护方案可保护RS-485端口免受最高6 kV电涌瞬变的影响。它的工作方式类似于保护解决方案2，但此电路采用气体放电管(GDT)取代TISP(完全集成电涌保护器)来保护TBU，进而保护次级保护器件TVS。GDT将针对高于前一种保护机制中所述TISP的过压和过流应力提供保护。此保护方案的GDT是Bourns公司的2038-15-SM-RPLF。TISP额定电流为220 A，而GDT每个导体的额定电流为5 kA。

　　11 结论

　　在实际工业应用中，RS-485通信端口遇到这些瞬变时可能遭到损坏。EMC问题如果是在产品设计周期后期才发现，可能需要重新设计，导致计划延迟，代价巨大。因此，EMC问题应在设计周期开始时就予以考虑，否则可能后悔莫及，无法实现所需的EMC性能。

　　在设计面向RS-485网络的EMC兼容解决方案时，主要难题是让外部保护元件的动态性能与RS-485器件输入/输出结构的动态性能相匹配。

　　参考文献：

　　[1] www.analog.com/RS485emc