如何保護RS-485通信網(wǎng)絡(luò )不受有害EMC影響

　　CDSOT23-SM712專(zhuān)門(mén)針對RS-485數據端口設計。以下兩個(gè)電路基于CDSOT23-SM712構建，提供更高級別的電路保護。CDSOT23-SM712提供次級保護，而TISP4240M3BJR-S提供主保護。主從保護器件與過(guò)流保護之間的協(xié)調通過(guò)TBU-CA065-200-WH完成。表2顯示使用此保護電路的ESD、EFT和電涌瞬變保護電壓級別。

　　表2. 解決方案2保護級別（8 kV）

　　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.這可采用瞬態(tài)閉鎖單元（TBU）實(shí)現，它是一個(gè)主動(dòng)高速過(guò)流保護元件。此解決方案中的TBU是Bourns TBU-CA065-200-WH.

　　TBU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由于瞬態(tài)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 )在不足1 μs時(shí)間內將受保護電路與電涌斷開(kāi)。在瞬變的剩余時(shí)間內，TBU保持在受保護阻隔狀態(tài)，只有極小的電流（1 mA）通過(guò)受保護電路。在正常工作條件下，TBU具有低阻抗，因此它對正常電路工作的影響很小。在阻隔模式下，它具有很高的阻抗以阻隔瞬變能量。在瞬態(tài)事件后，TBU自動(dòng)復位至低阻抗狀態(tài)，允許系統恢復正常工作。

　　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態(tài)晶閘管等技術(shù)實(shí)現，例如完全集成電涌保護器（TISP）。TISP充當主保護器件。當超過(guò)其預定義保護電壓時(shí)，它提供瞬態(tài)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。圖8顯示了器件的電壓-電流特性。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。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導通狀態(tài)之前，TISP器件處在擊穿區域。TBU將保護下游電路，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)復位，以便恢復正常系統運行。

　　如上所述，所有三個(gè)器件與系統I/O協(xié)同工作來(lái)保護系統免受高電壓和電流瞬變影響。

　　圖8. TISP切換特性和電壓限制波形

　　保護方案3

常常需要四級以上的電涌保護。此保護方案可保護RS-485端口免受最高6 kV電涌瞬變的影響。它的工作方式類(lèi)似于保護解決方案2,但此電路采用氣體放電管（GDT）取代TISP來(lái)保護TBU,進(jìn)而保護次級保護器件TVS.GDT將針對高于前一種保護機制中所述TISP的過(guò)壓和過(guò)流應力提供保護。此保護方案的GDT是Bourns公司的2038-15-SM-RPLF.TISP額定電流為220 A,而GDT每個(gè)導體的額定電流為5 kA.表3顯示此設計提供的保護級別。

　　表3. 解決方案3保護級別（8 kV）

　　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。當瞬態(tài)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，提供瞬態(tài)開(kāi)路電流接地路徑，將瞬態(tài)電流從受保護器件上轉移開(kāi)。

　　圖9顯示GDT的典型特性。當GDT兩端的電壓增大時(shí)，放電管中的氣體由于產(chǎn)生的電荷開(kāi)始電離。這稱(chēng)為輝光區。在此區域中，增加的電流將產(chǎn)生雪崩效應，將GDT轉換為虛擬短路，允許電流通過(guò)器件。在短路事件中，器件兩端產(chǎn)生的電壓稱(chēng)為弧電壓。輝光區和電弧區之間的轉換時(shí)間主要取決于器件的物理特性。

　　圖9. GDT特性波形

　　結論

　　本文說(shuō)明了處理瞬變抗擾度的三種IEC標準。在實(shí)際工業(yè)應用中，RS-485通信端口遇到這些瞬變時(shí)可能遭到損壞。EMC問(wèn)題如果是在產(chǎn)品設計周期后期才發(fā)現，可能需要重新設計，導致計劃延遲，代價(jià)巨大。因此，EMC問(wèn)題應在設計周期開(kāi)始時(shí)就予以考慮，否則可能后悔莫及，無(wú)法實(shí)現所需的EMC性能。

　　在設計面向RS-485網(wǎng)絡(luò )的EMC兼容解決方案時(shí)，主要難題是讓外部保護元件的動(dòng)態(tài)性能與RS-485器件輸入/輸出結構的動(dòng)態(tài)性能相匹配。

　　本文介紹了適用于RS-485通信端口的三種不同EMC兼容解決方案，設計人員可按照所需的保護級別選擇保護方案。EVAL-CN0313-SDPZ是業(yè)界首個(gè)EMC兼容RS-485客戶(hù)設計工具，針對ESD、EFT和電涌提供最高四級保護。表4總結了不同保護方案提供的保護級別。雖然這些設計工具不能取代所需的系統級嚴格評估和專(zhuān)業(yè)資質(zhì)，但能夠讓設計人員在設計周期早期降低由于EMC問(wèn)題導致的項目延誤風(fēng)險，從而縮短產(chǎn)品設計時(shí)間和上市時(shí)間。

　　表4. 三種ADM3485E EMC兼容解決方案