原來全是套路！三個經(jīng)典的RS-485端口EMC防護方案詳解

　　在實際的工業(yè)、電力、自動化及儀器儀表應用中，RS-485總線標準是使用最廣泛的物理層總線設計標準之一，由于其會在惡劣電磁環(huán)境下工作，為了確保這些數(shù)據(jù)端口能夠在最終安裝環(huán)境中正常工作，它們必須符合相關的電磁兼容性(EMC)法規(guī)。在本文中，世健公司結合優(yōu)勢的代理線ADI(?RS-485芯片)、Bourns(在端口EMC防護方面的器件)，從原理分析到實測來為大家?guī)碓敿毜腞S485的端口防護分析。

　　在RS-485端口的EMC設計中，我們需要重點考慮三個因素：靜電放電(ESD)、電快速瞬變(EFT)和浪涌(Surge)。?國際電工委員會(IEC)規(guī)范定義了一組EMC抗擾度要求，這組規(guī)范包括以下三種類型的高電壓瞬變，設計人員需要確保數(shù)據(jù)通信線路不受這些瞬變的損害。這三種類型分別是:

　　??IEC?61000-4-2靜電放電(ESD)

　　??IEC?61000-4-4電快速瞬變(EFT)

　　??IEC?61000-4-5浪涌抗擾度(Surge)

　　Excelpoint世健公司技術支持部副總監(jiān)Angus?Zhao說：“RS-485端口的保護方案就是要設法去滿足ESD、EFT、Surge這三種規(guī)范的要求。所以想要設計出合規(guī)的RS-485端口EMC方案，首先就要透徹了解這三個規(guī)范?！眹鴥柔槍EC標準也有同樣的等同標準可以參考，比如在電力及輸配電應用中，很多采用了GB/T17626.2?ESD,?GB/T17626.4?EFT,?GB/T17626.5?Surge的對應標準規(guī)范，本文以IEC標準為例說明。

　　靜電放電

　　靜電放電(ESD)是指兩個電位不同的帶電體之間因為近接觸或電場的傳導而突然產生靜電電荷的傳輸。其特性是在較短的時間內有較大的電流。IEC?61000-4-2測試的主要目，就是確定系統(tǒng)在工作過程中對系統(tǒng)外部ESD事件的抗擾度。IEC?61000-4-2規(guī)定了不同環(huán)境狀況下的電壓測試級別，共分4個級別。1級最輕微，4級最嚴重。1級和2級適合擁有防靜電材料的?受控環(huán)境中安裝的產品。3級和4級適合情況更嚴重的環(huán)境中安裝的產品，這類環(huán)境下更常發(fā)生帶有較高電壓的ESD事件。

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圖1:ESD?特性曲線??

圖2:IEC?61000-4-2?ESD測試級別和安裝類別??

　　電快速瞬變(脈沖群)

　　電快速瞬變(EFT)測試的是，將大量極快的瞬變脈沖耦合到信號線上，系統(tǒng)與外部開關電路關聯(lián)的瞬變干擾，這類電路能夠以容性方式耦合至通信端口。EFT的纏上包括繼電器和開關觸點抖動，或者因為感性或容性負載切換而產生的瞬變，?而所有這些在工業(yè)環(huán)境中都很常見。EC?61000-4-4中定義的?EFT測試，就是去模擬這些事件產生的干擾。

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*圖3：EFT特性曲線?*??

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　　IEC?61000-4-4規(guī)定了不同環(huán)境狀況下的電壓測試級別，分為4級。同時規(guī)定了不同測試級別對應的測試電壓和脈沖重復速率。

　　??1級?表示保護措施很好的環(huán)境

　　??2級?表示受保護的環(huán)境

　　??3級?表示典型的工業(yè)環(huán)境

　　??4級?表示惡劣的工業(yè)環(huán)境

圖4：IEC?61000-4-4?EFT?測試級別??

　　浪涌(Surge)

　　浪涌通常由開關操作造成的過壓情況或雷擊造成。開關瞬變的起因可能是電力系統(tǒng)切換、配電系統(tǒng)中的負載變化或各種系統(tǒng)故障。雷擊瞬變的起因可能是附近的雷擊導致向電路中注入了較大的電流和電壓。IEC?61000-4-5定義了在容易受到這些浪涌現(xiàn)象影響的情況下用于評估電子電氣設備抗擾度的波形、測試方法和測試級別。

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圖5：Surge特性曲線??

　　浪涌的能量級別可以達到ESD或EFT脈沖能量級別的三到四個數(shù)量級。因此，浪涌可以視作是EMC瞬變規(guī)范中最嚴重的一種。?由于ESD和EFT之間的相似性，相應的電路保護設計也很相似，但是由于浪涌的能量大，因此必須采取不同的處理方式。

　　Excelpoint世健公司技術支持部副總監(jiān)Angus?Zhao說：“開發(fā)EMC保護電路的過程，就是要根據(jù)實際應用的場景，達到相應的上述三種瞬變的抗擾度的規(guī)范要求，同時又要保證成本效益。這看似復雜的工作，實際上有它自己的原則和套路可循。”

　　RS-485端口EMC方案相應的規(guī)范要求實際上就是保護電路設計需要達到的目標。為了達成這樣的目標，自有其設計原則：

　　針對瞬變提供保護，主要有兩種方式：過流保護用于限制峰值電流;過壓保護用于限制峰值電壓。典型的保護方案設計包括主保護和次級保護。主保護可將大部分瞬變能量從系統(tǒng)轉移開，通常位于系統(tǒng)和環(huán)境之間的接口，它能夠將瞬變轉移到大地，從而移走絕大部分的能量。次級保護的目的是保護系統(tǒng)各個部件，使其免受主保護允許通過的任何瞬變電壓和電流的損壞。次級保護通常更側重于面向受保護系統(tǒng)的具體部件。它經(jīng)過優(yōu)化，可以確保針對上述殘余瞬變提供保護，同時還允許系統(tǒng)的這些敏感部件正常工作。Excelpoint世健技術支持部副總監(jiān)Angus?Zhao說：“這兩種方式必須確保主設計和次級設計能夠一起配合系統(tǒng)輸入/輸出，以便最大限度地降低對受保護電路造成的應力。同時在設計中，一般在主保護器件和次級保護器件之間會有一個協(xié)調元件，例如電阻或非線性過流保護器件，以確保能夠進行協(xié)調?！?/p>

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圖6：傳統(tǒng)的EMC防護解決方案架構??

　　按照以上的規(guī)范要求和設計原則，下面我們提供三種不同級別的EMC防護解決方案，這些方案都已經(jīng)經(jīng)過了第三方獨立EMC兼容性測試的認證。方案中用到的元器件包括：

　　ADM3485EARZ?3.3?V?RS-485收發(fā)器(ADI)

　　TVS瞬變電壓抑制器CDSOT23-SM712?(Bourns)

　　TBU瞬變閉鎖單元TBU-CA065-200-WH?(Bourns)

　　TIST晶閘管浪涌保護器TISP4240M3BJR-S?(Bourns)

　　GDT氣體放電管2038-15-SM-RPLF?(Bourns)