RS485端口防護原理分析及三個實測方案詳解

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?a target="_blank">RS485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。

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。

圖3：EFT特性曲線。

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。

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>

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)

方案一

EFT和ESD瞬變的能量級別類似，浪涌波形的能量級別則高出三到四個數(shù)量級。針對ESD和EFT的保護可通過相似的方式完成，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；理想情況下它是開路的。保護方法是將瞬變導致的過壓箝位到電壓限值。這是通PN結的低阻抗雪崩擊穿實現(xiàn)的。當產生大于TVS的擊穿電壓的瞬變電壓時，TVS會將瞬變箝位到小于保護器件的擊穿電壓的預定水平，只需小于1ns，瞬變電流即可從受保護器件轉移至地。

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，同時最大限度地減小對RS-485收發(fā)器的過壓應力。

圖7：CDSOT23-SM712 TVS特性曲線。

圖8：基于TVS陣列的保護方案。

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)調以及過流保護是利用Bourns專利技術的過流保護器件TBU（TBU-CA065-200-WH）實現(xiàn)的。

圖9：TBU的特性曲線。

當瞬變能量施加于保護電路時，TVS將會擊穿，通過提供低阻抗的接地路徑來保護器件。由于電壓和電流較高，還必須通過限制通過的電流來保護TVS。這可采用TBU，TBU是一個主動高速過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，它會對通過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是一個高速過流保護元件，具有預設電流限值和耐高壓能力。當發(fā)生過流，TVS由于瞬變事件擊穿時，TBU中的電流將升至器件設置的限流水平。此時，TBU會在小于1 μs時間內將受保護電路與浪涌斷開。在瞬變的剩余時間內，TBU保持在受保護阻隔狀態(tài)，通過受保護電路的電流非常小(小于1mA)。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。在瞬變事件后，TBU自動重置到低阻抗狀態(tài)，讓系統(tǒng)恢復正常工作。

圖10：TBU與PTC（保險絲Fuse）之間的差異。

與所有過流保護技術相同，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等技術實現(xiàn)，例如TISP。TISP充當主保護器件，當超過其預定義保護電壓時，它提供瞬變開路低阻抗接地路徑，從而將大部分瞬變能量從系統(tǒng)和其他保護器件轉移開。

TISP的非線性電壓-電流特性通過轉移產生的電流來限制過壓。作為晶閘管，TISP具有非連續(xù)電壓-電流特性，它是由于高電壓區(qū)和低電壓區(qū)之間的切換動作而導致的。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(qū)域則導致了箝位動作。

圖11：TISP的特性曲線。

在限制過壓的過程中，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狀態(tài)之前，TISP器件處在擊穿區(qū)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，TISP器件自動重置，以便恢復正常系統(tǒng)運行。

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

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似于保護方案二；但此電路采用氣體放電管(GDT)取代TISP來保護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，可針對更大的過壓和過流應力提供保護。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)。

圖13：GDT的特性曲線。

GDT主要用作主保護器件，提供低阻抗接地路徑以防止過壓瞬變。當瞬變電壓達到GDT火花放電電壓時，GDT將從高阻抗關閉狀態(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。

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

Excelpoint世健公司技術支持部副總監(jiān)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(guī)范，熟悉電路保護器件的特性，做出合規(guī)的設計并不難。

圖15：三個RS485端口的EMC方案保護級別比較。

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

圖16：方案一，采用3極GDT+TBU+TVS架構方案。

圖17：方案二，采用2極GDT+TBU+TVS架構方案。