原來(lái)全是套路！三個(gè)經(jīng)典的RS-485端口EMC防護方案詳解

　　方案一

　　EFT和ESD瞬變的能量級別類(lèi)似，浪涌波形的能量級別則高出三到四個(gè)數量級。針對ESD和EFT的保護可通過(guò)相似的方式完成，針對高級別浪涌的保護解決方案則更為復雜。第一個(gè)解決方案提供四級ESD和EFT和二級浪涌保護。

　　此解決方案使用Bourns公司的CDSOT23-SM712?TVS陣列，它包括兩個(gè)雙向TVS二極管。TVS是基于硅的器件。在正常工作條件下，TVS具有很高的對地阻抗;理想情況下它是開(kāi)路的。保護方法是將瞬變導致的過(guò)壓箝位到電壓限值。這是通PN結的低阻抗雪崩擊穿實(shí)現的。當產(chǎn)生大于TVS的擊穿電壓的瞬變電壓時(shí)，?TVS會(huì )將瞬變箝位到小于保護器件的擊穿電壓的預定水平，只需

　　重要的是要確保TVS的擊穿電壓在受保護引腳的正常工作范圍之外。CDSOT23-SM712的獨有特性是具有+13.3?V和–7.5?V的非對稱(chēng)擊穿電壓，與RS-485芯片ADM3485E的+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，同時(shí)最大限度地減小對RS-485收發(fā)器的過(guò)壓應力。

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圖7：CDSOT23-SM712?TVS特性曲線(xiàn)??

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圖8：基于TVS陣列的保護方案??

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　　方案二

　　如果要提高浪涌保護級別，保護電路變將得更加復雜，在方案二中，我們將浪涌保護提高到四級。

　　在這個(gè)方案中，由TVS(CDSOT23-SM712)提供次級保護，?TISP(TISP4240M3BJR-S)則提供主保護，主保護器件和次級保護器件之間的協(xié)調以及過(guò)流保護是利用Bourns專(zhuān)利技術(shù)的過(guò)流保護器件TBU(TBU-CA065-200-WH)實(shí)現的。

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*圖9：TBU的特性曲線(xiàn)?*??

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　　當瞬變能量施加于保護電路時(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TVS。這可采用TBU，TBU是一個(gè)主動(dòng)高速過(guò)流保護元件可阻擋電流，而不是將其分流至地。作為串聯(lián)元件，?它會(huì )對通過(guò)器件的電流做出反應，而不是對接口兩端的電壓做出反應。TBU是一個(gè)高速過(guò)流保護元件，具有預設電流限值和耐高壓能力。當發(fā)生過(guò)流，TVS由于瞬變事件擊穿時(shí)，TBU中的電流將升至器件設置的限流水平。此時(shí)，?TBU會(huì )在小于1?μs時(shí)間內將受保護電路與浪涌斷開(kāi)。在瞬變的剩余時(shí)間內，TBU保持在受保護阻隔狀態(tài)，通過(guò)?受保護電路的電流非常小(

圖10：TBU與PTC(保險絲Fuse)之間的差異??

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　　與所有過(guò)流保護技術(shù)相同，TBU具有最大擊穿電壓，因此?主保護器件必須箝位電壓，并將瞬變能量重新引導至地。?這通常使用氣體放電管或固體放電管(晶閘管)TISP等技術(shù)實(shí)現，例如TISP。TISP充當主保護器件，當超過(guò)其預定義保護電壓時(shí)，它提供瞬變開(kāi)路低阻抗接地路徑，?從而將大部分瞬變能量從系統和其他保護器件轉移開(kāi)。

　　TISP的非線(xiàn)性電壓-電流特性通過(guò)轉移產(chǎn)生的電流來(lái)限制過(guò)壓。作為晶閘管，TISP具有非連續電壓-電流特性，它是由于高電壓區和低電壓區之間的切換動(dòng)作而導致的。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，雪崩擊穿區域則導致了箝位動(dòng)作。

*圖11：TISP的特性曲線(xiàn)?*??

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　　在限制過(guò)壓的過(guò)程中，受保護電路短暫暴露在高壓下，因而在切換到低壓保護打開(kāi)狀態(tài)之前，TISP器件處在擊穿區域。TBU將保護后端電路，防止由于這種高電壓導致的高電流造成損壞。當轉移電流降低到臨界值以下時(shí)，TISP器件自動(dòng)重置，以便恢復正常系統運行。

　　所有上述三個(gè)元件協(xié)同工作，與系統輸入/輸出配?合，一起針對高電壓大電流瞬變?yōu)橄到y提供系統級保護。

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圖12：TVS、TBU和TISP協(xié)同工作，提供更高級別保護??

　　方案三

　　如果保護方案需要應對最高6?kV的浪涌瞬變，則需要對方案做些調整。新方案的工作方式類(lèi)似于保護方案二;但此電路采用氣體放電管(GDT)?取代TISP來(lái)保護TBU，從而保護次級保護器件TVS。相對于TISP，GDT采用氣體放電原理，可針對更大的過(guò)壓和過(guò)流應力提供保護。TISP的額定電流是220?A，GDT的額定電流則是5?kA(按單位導體計算)。

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圖13：GDT的特性曲線(xiàn)??

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　　GDT主要用作主保護器件，提供低阻抗接地路徑以防止過(guò)壓瞬變。當瞬變電壓達到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，提供瞬變開(kāi)路電流接地泄放路徑，將瞬變沖擊電流從受保護器件上轉移開(kāi)。

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圖14：用TVS、TBU、GDT協(xié)同工作，可以耐受更大的過(guò)壓和過(guò)流應力??

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　　Excelpoint世健公司技術(shù)支持部副總監Angus?Zhao總結到：RS-485端口的EMC方案自有套路，了解了保護需要遵循的規范，熟悉電路保護器件的特性，做出合規的設計并不難。

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圖15：三個(gè)RS485端口的EMC方案保護級別比較??

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　　最后，世健公司還介紹了兩個(gè)經(jīng)典實(shí)用的RS-485端口保護方案，可以通過(guò)IEC6100-4-2?ESD,?IEC61000-4-4?EFT,?IEC61000-4-5?Surge?4級以上EMS安規測試。

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　　方案一：采用3極GDT+TBU+TVS架構方案

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　　方案二：采用2極GDT+TBU+TVS架構方案