EMC COMPLIANT RS-485收發(fā)器保護電路解析

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路使用ADM3485E收發(fā)器，是經(jīng)過(guò)驗證并測試的電磁兼容性(EMC)解決方案，可為使用廣泛的RS-485通信端口提供三重保護。每個(gè)解決方案都經(jīng)過(guò)測試和特性表征，確保收發(fā)器和保護電路元件之間的動(dòng)態(tài)交互能夠協(xié)同工作，保護它們免遭靜電放電(ESD)、電快速瞬變(EFT)和電涌的破壞——分別由IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-4和IEC 61000-4-5標準定義。本電路使用ADM3485E提供經(jīng)過(guò)驗證的RS-485接口ESD、EFT和電涌(常見(jiàn)于惡劣工作環(huán)境)保護。

圖1. 三個(gè)EMC兼容ADM3485E保護電路(原理示意圖，未顯示所有連接)

電路描述

在工業(yè)和儀器儀表應用中，RS-485總線(xiàn)標準是使用最廣泛的物理層總線(xiàn)設計標準之一。RS-485提供多個(gè)系統之間的差分數據傳輸，這些系統通常相距很遠。RS-485的應用包括：過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò )、工業(yè)自動(dòng)化、遠程終端、樓宇自動(dòng)化(例如，暖通空調(HVAC)、保安系統)、電機控制和運動(dòng)控制。

在這些實(shí)際的系統中，雷擊、電源波動(dòng)、感應開(kāi)關(guān)和靜電放電會(huì )通過(guò)產(chǎn)生較大瞬變電壓對通信端口造成損害。設計人員必須確保設備不僅能在理想條件下工作，而且能夠在實(shí)際可能遇到的惡劣環(huán)境下正常工作。為了確保這些設計能夠在電氣條件惡劣的環(huán)境下工作，必須符合EMC規范。

許多EMC的問(wèn)題并不簡(jiǎn)單，且不易呈現，因此必須在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的初級階段即將其考慮在內。正確的解決方案和保護電路必須作為整體設計的一部分，而非留到最后一刻。保護電路必須集成特定收發(fā)器生產(chǎn)商的輸入和輸出結構，作為設計的組成部分。

IEC 61000規范定義了一組EMC耐受性要求。在這組規范中，設計人員必須考慮數據通信線(xiàn)路的下列三類(lèi)高壓瞬變：

· IEC 61000-4-2靜電放電(ESD)

· IEC 61000-4-4電快速瞬變(EFT)

· IEC 61000-4-5電涌耐受

ESD和EFT具有類(lèi)似的上升時(shí)間、脈沖寬度和能耗水平。電涌瞬變具有更長(cháng)的上升時(shí)間和脈沖寬度;其幅度最終可能比ESD或EFT瞬變電能的幅度高3至4個(gè)數量級。由于ESD和EFT瞬變的相似性，它們的電路保護設計也相近。但是因為電涌瞬變的電能水平較高，因此必須將它們區別對待。

每款解決方案都向數據端口提供ESD電壓(8 kV接觸放電和15 kV氣隙放電)以及2 kV的EFT電壓保護。不同的解決方案提供高達6 kV的更高電涌保護等級。電路保護等級列于表1中。

圖2顯示EVAL-CN0313-SDPZ板的實(shí)物照片。電路板上有三個(gè)ADM3485E器件，每個(gè)器件用于一種保護方案。每種保護方案都提供本文描述的ESD和EFT保護，并提升電涌保護等級。

有關(guān)EVAL-CN0313-SDPZ板的完整設計支持包，包括原理圖、布局文件和物料清單，請參閱www.analog.com/CN0313-DesignSupport。

圖2. EVAL-CN0313-SDPZ板

ADM3485E是一款3.3 V低功耗數據收發(fā)器，適合用于多點(diǎn)傳輸線(xiàn)路的半雙工通信。它的數據速率高達12 Mbps，總線(xiàn)引腳(A和B)上的共模電壓范圍為−7 V至+12 V。數據通過(guò)DI引腳發(fā)送出去，通過(guò)RO引腳接收。驅動(dòng)器和接收器的輸出都可使能或禁用，即通過(guò)改變DE和RE引腳上的相應邏輯電平，進(jìn)入高阻抗狀態(tài)。

電源和接地通過(guò)螺旋電纜連接器互相連接(VCC和GND)。該連接器供全部三個(gè)ADM3485E器件使用。

DE和RE邏輯輸入通過(guò)LK1至LK6設置。對每個(gè)ADM3485E而言，LK2、LK4和LK6與DE有關(guān);LK1、LK3和LK5與RE有關(guān)。對每條鏈路而言，位置A連接邏輯引腳至VCC;位置B連接邏輯引腳至GND;位置C連接邏輯引腳至四引腳側面螺旋電纜連接器。輸入DI和輸出RO引腳直接連接四引腳螺旋連接器。

EVAL-CN0313-SDPZ還兼容ADI公司的ezLINX™板(EZLINX-IIIDE-EBZ)，以及系統開(kāi)發(fā)平臺(EVAL-SDP-CB1Z)。連接器J8將SDP或ezLINX板上的UART和GPIO接口與ADM3485E器件的邏輯I/O相連。I/O連接和跳線(xiàn)配置如表2所示。

ADM3485E發(fā)送器和接收器共用同樣的差分總線(xiàn)引腳(A和B)。保護電路用于保護這些總線(xiàn)引腳。

在第一個(gè)保護電路中(TVS，如圖1所示)，使用了一個(gè)元件，即Bourns公司的CDSOT23-SM712。它是EVAL-CN0313-SDPZ上的瞬變電壓抑制器(TVS)陣列。它由兩個(gè)雙向TVS二極管組成，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后保護RS-485系統，使其受到盡可能少的過(guò)應力，同時(shí)支持全范圍RS-485信號和共模電壓偏移。在正常工作條件下，TVS具有很高的對地阻抗。發(fā)生過(guò)壓情況時(shí)，TVS進(jìn)入雪崩擊穿模式，并將引腳電壓箝位于安全的預定電平。然后，它將瞬變電流從ADM3485E轉移到地。

此保護方案提供高達8 kV(接觸放電)和15 kV(氣隙放電)ESD保護、2 kV EFT保護和1 kV電涌保護。

如CDSOT23-SM712數據手冊中所述，該器件專(zhuān)為RS-485設備而設計。以下兩個(gè)保護方案應用于CDSOT23-SM712，提供針對電涌的更高級電路保護。

在第二個(gè)方案中(圖1中的TVS/TBU/TISP)，CDSOT23-SM712 TVS提供第二級保護，而B(niǎo)ourns公司的TISP4240M3BJR-S提供第一級保護。TISP4240M3BJR-S是一款完全集成式電涌保護器(TISP)。TISP是一款固態(tài)晶閘管。當超過(guò)其預定保護電壓時(shí)，TISP提供低阻抗接地路徑，將大部分瞬變能量從ADM3485E轉移開(kāi)。

Bourns公司的TBU-CA065-200-WH瞬態(tài)閉鎖單元(TBU)是一款非線(xiàn)性過(guò)流保護器件，位于第一級和第二級保護器件之間，確保協(xié)調工作。TBU是一款過(guò)流閉鎖器件，在預定電流下開(kāi)路。在阻隔模式下，它具有很高的阻抗以阻隔瞬變能量。此保護方案提供高達8 kV(接觸放電)和15 kV(氣隙放電)ESD保護、2 kV EFT保護和4 kV電涌保護。