作者：James Scanlon and Koenraad Rutgers

在實際的工業(yè)和儀器儀表（I&I）應(yīng)用中，RS-485接口鏈路必須在惡劣的電磁環(huán)境中工作。雷擊、靜電放電和其他電磁現(xiàn)象引起的大瞬態(tài)電壓會損壞通信端口。為了確保這些數(shù)據(jù)端口能夠在其最終安裝環(huán)境中生存，它們必須滿足某些電磁兼容性 （EMC） 法規(guī)。

這些要求包括三個主要的瞬態(tài)抗擾度標(biāo)準(zhǔn)：靜電放電、電快速瞬變和浪涌。

許多EMC問題并不簡單或明顯，因此必須在產(chǎn)品設(shè)計之初就加以考慮。將這些考慮因素留到設(shè)計周期結(jié)束時可能會導(dǎo)致工程預(yù)算和進度超支。

本文介紹這些主要的瞬態(tài)類型，并介紹和演示三種不同的EMC兼容解決方案，這些解決方案適用于RS-485通信端口上的三種不同的成本/保護級別。

ADI公司和Bourns公司合作，共同開發(fā)業(yè)界首款符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的RS-485接口設(shè)計工具，為IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4 EFT和IEC 61000-4-5浪涌提供高達4級保護級別，從而擴展其面向系統(tǒng)的解決方案。它為設(shè)計人員提供了取決于所需保護級別和可用預(yù)算的設(shè)計選項。這些設(shè)計工具允許設(shè)計人員通過在設(shè)計周期開始時考慮EMC問題來降低項目延誤的風(fēng)險。

RS-485 標(biāo)準(zhǔn)

I&I應(yīng)用需要在多個系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)傳輸，通常是很長的距離。RS-485電氣標(biāo)準(zhǔn)是I&I應(yīng)用中使用最廣泛的物理層規(guī)范之一，例如工業(yè)自動化，過程控制，電機控制和運動控制;遠程終端;樓宇自動化，如供暖、通風(fēng)和空調(diào) （HVAC）;安全系統(tǒng);可再生能源。

RS-485的一些關(guān)鍵特性使其成為I&I通信應(yīng)用的理想選擇：

長距離鏈路 — 長達 4000 英尺

可通過單對雙絞線進行雙向通信

差分傳輸提高了共?？箶_度并降低了噪聲排放

可以在同一總線上連接多個驅(qū)動器和接收器

寬共模范圍（–7 V至+12 V）允許驅(qū)動器和接收器之間的地電位差

TIA/EIA-485-A 允許高達 10 Mbps 的數(shù)據(jù)速率

TIA/EIA-485-A描述了RS-485接口的物理層，通常與更高級別的協(xié)議一起使用，例如Profibus，Interbus，Modbus或BACnet。這允許在相對較長的距離上進行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

然而，在實際應(yīng)用中，雷擊、功率感應(yīng)和直接接觸、電源波動、電感開關(guān)和靜電放電會產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電壓，從而損壞RS-485收發(fā)器。設(shè)計人員必須確保設(shè)備不僅在理想條件下工作，而且在“現(xiàn)實世界”中也能工作。為了確保這些設(shè)計能夠在電氣惡劣的環(huán)境中生存，各種政府機構(gòu)和監(jiān)管機構(gòu)都實施了EMC法規(guī)。遵守這些法規(guī)可為最終用戶提供保證，確保設(shè)計在這些惡劣環(huán)境中按預(yù)期運行。

電磁兼容性

電磁環(huán)境由輻射能和傳導(dǎo)能組成，因此EMC有兩個方面：發(fā)射和敏感性。因此，EMC具有電子系統(tǒng)在其預(yù)期的電磁環(huán)境中令人滿意地運行的能力，而不會在該環(huán)境中引入無法容忍的電磁干擾。本文介紹如何提高RS-485端口對三種主要EMC瞬變的EMC敏感性的保護級別。

國際電工委員會 （IEC） 是世界領(lǐng)先的組織，負責(zé)制定和發(fā)布所有電氣、電子和相關(guān)技術(shù)的國際標(biāo)準(zhǔn)。自 1996 年以來，所有銷往歐洲共同體或在歐洲共同體內(nèi)銷售的電子設(shè)備必須符合 IEC 61000-4-x 規(guī)范中定義的 EMC 水平。

IEC 61000規(guī)范定義了適用于住宅，商業(yè)和輕工業(yè)環(huán)境的電氣和電子設(shè)備的EMC抗擾度要求集。這組規(guī)范包括電子設(shè)計人員在數(shù)據(jù)通信線路中需要關(guān)注的三種類型的高壓瞬變：

IEC 61000-4-2 靜電放電 （ESD）

IEC 61000-4-4 電氣快速瞬變 （EFT）

IEC 61000-4-5 浪涌抗擾度

這些規(guī)范中的每一個都定義了一種測試方法，以評估電子和電氣設(shè)備對所定義現(xiàn)象的抗擾度。以下各節(jié)總結(jié)了這些測試中的每一個。

靜電放電

ESD是由近距離接觸或電場引起的不同電位的物體之間靜電荷的突然轉(zhuǎn)移。它具有短時間內(nèi)大電流的特點。IEC 61000-4-2測試的主要目的是確定系統(tǒng)在運行期間對系統(tǒng)外部ESD事件的抗擾度。IEC 61000-4-2描述了使用兩種耦合方法進行測試。這些被稱為接觸放電和氣隙放電。接觸放電意味著放電槍和被測裝置之間的直接接觸。在空氣放電測試期間，放電槍的帶電電極朝被測單元移動，直到放電以電弧的形式穿過氣隙。放電槍不與被測裝置直接接觸。許多因素會影響空氣放電測試的結(jié)果和可重復(fù)性，包括濕度、溫度、氣壓、距離和接近被測單元的速度。這種方法可以更好地表示實際的ESD事件，但不是可重復(fù)的。因此，接觸放電是首選的測試方法。

在測試期間，數(shù)據(jù)端口至少要經(jīng)歷10次正放電和10次負放電，每個脈沖之間間隔一秒。測試電壓的選擇取決于系統(tǒng)終端環(huán)境。最高規(guī)定的測試是 4 級，它定義了 ±8 kV 的接觸放電電壓和 ±15 kV 的空氣放電電壓。

圖1顯示了規(guī)范中所述的8 kV接觸放電電流波形。一些關(guān)鍵波形參數(shù)是上升時間小于1 ns，脈沖寬度約為60 ns。這相當(dāng)于總能量在 10 mJ 范圍內(nèi)的脈沖。

圖1.IEC 61000-4-2 ESD 波形 （8 kV）。

電快速瞬變

電氣快速瞬態(tài)測試涉及將許多極快的瞬態(tài)脈沖耦合到信號線上，以表示與電容耦合到通信端口的外部開關(guān)電路相關(guān)的瞬態(tài)干擾，其中可能包括繼電器和開關(guān)觸點反彈或由電感或容性負載開關(guān)引起的瞬變 - 所有這些都在工業(yè)環(huán)境中非常常見。IEC 61000-4-4 中定義的 EFT 測試嘗試模擬這些類型的事件產(chǎn)生的干擾。

圖 2 顯示了 EFT 50 Ω負載波形。EFT 波形描述為輸出阻抗為 50 Ω的發(fā)生器在 50 Ω阻抗上的電壓。輸出波形由 15 ms 突發(fā) 2.5 kHz 至 5 kHz 高壓瞬變組成，以 300 ms 的間隔重復(fù)。每個脈沖的上升時間為5 ns，脈沖持續(xù)時間為50 ns，在波形上升沿和下降沿的50%點之間測量。單個EFT脈沖的總能量與ESD脈沖中的總能量相似。單個脈沖的總能量通常為4 mJ。施加到數(shù)據(jù)端口的電壓可高達2 kV。

圖2.IEC 61000-4-4 EFT 50 Ω負載波形。

這些快速突發(fā)瞬變使用電容箝位耦合到通信線路上。EFT 通過鉗位電容耦合到通信線路上，而不是直接接觸。這也減少了由EFT發(fā)生器的低輸出阻抗引起的負載。夾具和電纜之間的耦合電容取決于電纜直徑、屏蔽和電纜絕緣。

浪涌瞬變

浪涌瞬變是由開關(guān)或雷電瞬變產(chǎn)生的過電壓引起的。開關(guān)瞬變可能是由電源系統(tǒng)開關(guān)、配電系統(tǒng)中的負載變化或各種系統(tǒng)故障（如短路）引起的。雷電瞬變可能是附近雷擊注入電路的高電流和電壓的結(jié)果。IEC 61000-4-5定義了波形，測試方法和測試級別，以評估對這些破壞性浪涌的抗擾度。

波形被指定為波形發(fā)生器的開路電壓和短路電流的輸出。描述了兩種波形。10/700 μs 組合波形用于測試用于連接對稱通信線路的端口：例如電話交換線。1.2/50 μs組合波形發(fā)生器用于所有其他情況，特別是短距離信號連接。對于RS-485端口，主要使用1.2/50 μs波形，本節(jié)將討論。波形發(fā)生器的有效輸出阻抗為2 Ω;因此，浪涌瞬變具有與之相關(guān)的高電流。

圖3顯示了1.2/50 μs浪涌瞬態(tài)波形。ESD 和 EFT 具有相似的上升時間、脈沖寬度和能量水平;但是，浪涌脈沖的上升時間為1.25 μs，脈沖寬度為50 μs。此外，浪涌脈沖能量可以達到近 90 J，比 ESD 或 EFT 脈沖中的能量大三到四個數(shù)量級。因此，浪涌瞬變被認為是最嚴(yán)重的EMC瞬變。由于ESD和EFT之間的相似性，電路保護的設(shè)計可以相似，但由于其高能量，浪涌必須以不同的方式處理。這是開發(fā)保護的主要問題之一，該保護可提高數(shù)據(jù)端口對所有三種瞬變的抗擾度，同時保持成本效益。

電阻將浪涌瞬變耦合到通信線路上。圖4顯示了半雙工RS-485器件的耦合網(wǎng)絡(luò)。電阻的總平行總和為 40 Ω。對于半雙工器件，每個電阻為80 Ω。

在浪涌測試期間，向數(shù)據(jù)端口施加五個正脈沖和五個負脈沖，每個脈沖之間的最大時間間隔為一分鐘。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在測試期間，設(shè)備應(yīng)設(shè)置為正常運行條件。

圖3.IEC 61000-4-5 浪涌 1.2/50 μs 波形。

圖4.半雙工RS-485設(shè)備的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)。

通過/失敗標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)瞬態(tài)應(yīng)用于被測系統(tǒng)時，結(jié)果分為四個通過/失敗標(biāo)準(zhǔn)。以下是通過/未通過標(biāo)準(zhǔn)列表，舉例說明了每個標(biāo)準(zhǔn)與RS-485收發(fā)器的關(guān)系：

正常性能;在應(yīng)用瞬態(tài)期間或之后不會發(fā)生位錯誤

暫時喪失功能或暫時降低性能，不需要操作員;在應(yīng)用瞬態(tài)期間和之后的有限時間內(nèi)可能會發(fā)生位錯誤

需要操作員暫時喪失功能或性能暫時下降;可能會發(fā)生閂鎖事件，該事件可以在上電復(fù)位后移除，而不會永久喪失功能或降低設(shè)備性能

功能喪失，設(shè)備永久損壞;設(shè)備未通過測試

標(biāo)準(zhǔn) A 是最理想的，標(biāo)準(zhǔn) D 是不可接受的。永久性損壞會導(dǎo)致系統(tǒng)停機以及維修和更換費用。對于關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)，B類和C類也是不可接受的，因為系統(tǒng)必須在瞬態(tài)事件期間無錯誤運行。

瞬態(tài)保護

在設(shè)計電路以防止瞬變時，設(shè)計人員必須考慮幾個主要事項：

電路必須防止或限制瞬態(tài)造成的損壞，并允許系統(tǒng)恢復(fù)正常工作，同時將對性能的影響降至最低。

保護方案應(yīng)足夠穩(wěn)健，以處理系統(tǒng)在現(xiàn)場將承受的瞬變類型和電壓電平。

與瞬態(tài)相關(guān)的時間長度是一個重要因素。對于長瞬態(tài)，加熱效應(yīng)會導(dǎo)致某些保護方案失效。

在正常情況下，保護電路不應(yīng)干擾系統(tǒng)運行。

如果保護電路在過應(yīng)力期間失效，則應(yīng)以保護系統(tǒng)的方式失效。

圖5顯示了一個典型的保護方案，其特征是具有一級和二級保護。將大部分瞬態(tài)能量從系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移出去的主保護通常位于系統(tǒng)與環(huán)境之間的接口處。它旨在通過將瞬態(tài)轉(zhuǎn)移到地面來消除大部分能量。

二級保護系統(tǒng)的各個部分免受初級保護允許的任何瞬態(tài)電壓和電流的影響。它經(jīng)過優(yōu)化，可確保防止這些殘余瞬變，同時允許系統(tǒng)的這些敏感部件正常運行。必須指定初級和次級設(shè)計與系統(tǒng)I/O協(xié)同工作，以最大程度地減少受保護電路上的應(yīng)力。這些設(shè)計通常在初級和次級保護器件之間包括一個協(xié)調(diào)元件，例如電阻或非線性過流保護裝置，以確保協(xié)調(diào)發(fā)生。

圖5.保護方案 - 框圖。

RS-485 瞬態(tài)抑制網(wǎng)絡(luò)

從本質(zhì)上講，EMC瞬態(tài)事件隨時間變化，因此動態(tài)性能以及保護元件的動態(tài)特性與受保護器件的輸入/輸出級的匹配導(dǎo)致EMC設(shè)計成功。元件數(shù)據(jù)手冊通常只包含直流數(shù)據(jù)，鑒于動態(tài)擊穿和I/V特性可能與直流值有很大不同，因此其價值有限。為了確保電路符合EMC標(biāo)準(zhǔn)，需要仔細設(shè)計、表征并了解受保護器件的輸入/輸出級和保護元件的動態(tài)性能。

圖6所示電路說明了三種不同的完全表征的EMC兼容解決方案。每種解決方案都經(jīng)過獨立的外部EMC一致性測試機構(gòu)的認證，每種解決方案都為ADI公司的ADM3485E 3.3 V RS-485收發(fā)器提供不同的成本/保護水平，該收發(fā)器采用精選的Bourns外部電路保護元件，具有增強的ESD保護功能。Bourns 使用的外部電路保護組件包括瞬態(tài)電壓抑制器 （CDSOT23-SM712）、瞬態(tài)阻斷單元 （TBU-CA065-200-WH）、晶閘管浪涌保護器 （TISP4240M3BJR-S） 和氣體放電管 （2038-15-SM-RPLF）。

每種解決方案的特性都確保保護元件的動態(tài)I/V性能能夠保護ADM3485E RS-485總線引腳的動態(tài)I/V特性，從而使ADM3485E的輸入/輸出級與外部保護元件之間的相互作用共同發(fā)揮作用，從而防止瞬態(tài)事件。

圖6.三個符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的ADM3485E電路（原理示意圖，未顯示所有連接）。

保護方案1

如前所述，EFT 和 ESD 瞬變具有相似的能量水平，而浪涌波形的能量水平要高出三到四個數(shù)量級。ESD和EFT防護以類似的方式完成，但防止高電平或浪涌需要更復(fù)雜的解決方案。此處介紹的第一個解決方案可保護高達 4 級 ESD 和 EFT 以及 2 級浪涌。1.2/50 μs波形用于本文所述的所有浪涌測試。

該解決方案采用 Bourns CDSOT23-SM712 瞬態(tài)電壓抑制器 （TVS） 陣列，該陣列由兩個雙向 TVS 二極管組成，經(jīng)過優(yōu)化，可在 RS-485 收發(fā)器上以最小的過應(yīng)力保護 RS-485 系統(tǒng)，同時允許 RS-485 收發(fā)器上的全范圍 RS-485 信號和共模偏移（–7 V 至 +12 V）。表1顯示了針對ESD、EFT和浪涌瞬變保護的電壓電平。

表 1.解決方案 1 保護級別

TVS是一種基于硅的設(shè)備。在正常工作條件下，TVS對地阻抗高;理想情況下，它是一個開路。保護是通過將過壓從瞬態(tài)箝位到電壓限值來實現(xiàn)的。這是通過PN結(jié)的低阻抗雪崩擊穿完成的。當(dāng)產(chǎn)生大于TVS擊穿電壓的瞬態(tài)電壓時，TVS將瞬態(tài)鉗位到小于其所保護設(shè)備的擊穿電壓的預(yù)定水平。瞬態(tài)瞬態(tài)被瞬時箝位（<1 ns），瞬態(tài)電流從受保護器件轉(zhuǎn)移到地。

確保TVS的擊穿電壓超出受保護引腳的正常工作范圍非常重要。CDSOT23-SM712的獨特之處在于，它具有+13.3 V和–7.5 V的不對稱擊穿電壓，以匹配+12 V至–7 V的收發(fā)器共模范圍，從而提供最佳保護，同時最大限度地降低ADM3485E RS-485收發(fā)器上的過壓應(yīng)力。

圖7.CDSOT23-SM712 I/V 特性。

保護方案2

以前的解決方案可保護高達 4 級 ESD 和 EFT，但只能保護 2 級浪涌。為了提高浪涌保護水平，保護電路變得更加復(fù)雜。以下保護方案將保護高達 4 級的浪涌。

CDSOT23-SM712 專為 RS-485 數(shù)據(jù)端口而設(shè)計。接下來的兩個電路基于 CDSOT23-SM712 構(gòu)建，以提供更高水平的電路保護。CDSOT23-SM712 提供二級保護，而 TISP4240M3BJR-S 提供一級保護。初級和次級保護器件之間的協(xié)調(diào)以及過流保護使用 TBU-CA065-200-WH 完成。表2顯示了使用該保護電路保護ESD、EFT和浪涌瞬變的電壓電平。

表 2.解決方案 2 保護級別

當(dāng)對保護電路施加瞬態(tài)時，TVS將擊穿，通過提供低阻抗接地路徑來保護器件。對于大電壓和電流，還必須通過限制通過TVS的電流來保護TVS。這是使用瞬態(tài)阻斷單元（TBU）完成的，TBU是一種有源高速過流保護元件。此解決方案中的 TBU 是 Bourns TBU-CA065-200-WH。

TBU 阻斷電流，而不是將其分流到地。作為串聯(lián)元件，它對通過器件的電流做出反應(yīng)，而不是對接口上的電壓做出反應(yīng)。TBU是一種高速過流保護元件，具有預(yù)設(shè)的電流限制和高耐壓能力。當(dāng)發(fā)生過電流并且TVS因瞬態(tài)事件而擊穿時，TBU中的電流將上升到器件設(shè)置的電流限制水平。此時，TBU在不到1 μs的時間內(nèi)斷開受保護電路與浪涌的連接。在瞬變的其余部分，TBU保持受保護的阻斷狀態(tài)，極低的電流（<1 mA）通過受保護電路。在正常工作條件下，TBU表現(xiàn)出低阻抗，因此對正常電路操作的影響最小。在阻塞模式下，它具有非常高的阻抗來阻擋瞬態(tài)能量。瞬態(tài)事件發(fā)生后，TBU 會自動復(fù)位到其低阻抗?fàn)顟B(tài)，并允許恢復(fù)正常的系統(tǒng)操作。

與所有過流保護技術(shù)一樣，TBU具有最大擊穿電壓，因此初級保護器件必須箝位電壓并將瞬態(tài)能量重定向到地。這通常使用氣體放電管或固態(tài)晶閘管等技術(shù)來完成，例如完全集成的電涌保護器（TISP）。TISP 充當(dāng)主要保護設(shè)備。當(dāng)超過其預(yù)定義的保護電壓時，它提供一條撬棍低阻抗接地路徑，從而將大部分瞬態(tài)能量從系統(tǒng)和其他保護器件轉(zhuǎn)移出去。

TISP的非線性電壓-電流特性通過轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的電流來限制過電壓。作為晶閘管，TISP具有由高壓和低壓區(qū)域之間的開關(guān)動作引起的不連續(xù)電壓-電流特性。圖8顯示了該器件的電壓電流特性。在TISP器件切換到低電壓狀態(tài)之前，低阻抗接地以分流瞬態(tài)能量，由雪崩擊穿區(qū)域引起箝位動作。在限制過壓時，受保護電路將在TISP器件處于擊穿區(qū)域的短時間內(nèi)暴露在高壓下，然后才切換到低壓保護導(dǎo)通狀態(tài)。TBU將保護下游電路免受這種高電壓產(chǎn)生的高電流的影響。當(dāng)轉(zhuǎn)移電流降至臨界值以下時，TISP器件會自動復(fù)位，從而恢復(fù)正常的系統(tǒng)操作。

如上所述，所有三個組件與系統(tǒng)I/O協(xié)同工作，以保護系統(tǒng)免受高壓和電流瞬變的影響。

圖8.TISP開關(guān)特性和限壓波形。

保護方案3

通常需要高于 4 級浪涌的保護級別。該保護方案將保護RS-485端口，最高可達6 kV浪涌瞬變。它的工作方式與保護方案2類似，但在此電路中，使用氣體放電管（GDT）代替TISP來保護TBU，而TBU又保護輔助保護裝置TVS。GDT將提供比先前保護方案中描述的TISP更高的過壓和過流應(yīng)力保護。此保護方案的GDT是Bourns 2038-15-SM-RPLF。TISP 的額定電流為 220 安培，而 GDT 額定電流為每根導(dǎo)線 5 kA。表 3 顯示了此設(shè)計提供的保護級別。

表 3.解決方案 3 保護級別

GDT主要用作初級保護器件，提供低阻抗接地路徑，以防止過壓瞬變。當(dāng)瞬態(tài)電壓達到GDT火花放電電壓時，GDT將從高阻抗關(guān)斷狀態(tài)切換到電弧模式。在電弧模式下，GDT變?yōu)樘摂M短路，提供一條撬棍電流路徑到地，并將瞬態(tài)電流從受保護器件轉(zhuǎn)移開。

圖9顯示了GDT的典型特性。當(dāng)GDT兩端的電壓增加時，由于管子上產(chǎn)生的電荷，管中的氣體開始電離。這稱為發(fā)光區(qū)域。在這個區(qū)域，增加的電流將產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，將GDT轉(zhuǎn)換為虛擬短路，允許電流通過器件。在短路事件期間，器件兩端產(chǎn)生的電壓稱為電弧電壓。輝光和電弧區(qū)域之間的過渡時間高度依賴于器件的物理特性。

圖9.GDT特性波形。

結(jié)論

本文介紹了處理瞬態(tài)抗擾度的三個感興趣的IEC標(biāo)準(zhǔn)。在實際工業(yè)應(yīng)用中，受到這些瞬變影響的RS-485通信端口可能會損壞。在產(chǎn)品設(shè)計周期后期發(fā)現(xiàn)的EMC問題可能需要昂貴的重新設(shè)計，并且通常會導(dǎo)致進度超支。因此，EMC問題應(yīng)該在設(shè)計周期開始時考慮，而不是在以后的階段考慮，因為實現(xiàn)所需的EMC性能可能為時已晚。

為RS-485網(wǎng)絡(luò)設(shè)計EMC兼容解決方案的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是將外部保護組件的動態(tài)性能與RS-485器件輸入/輸出結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能相匹配

本文演示了針對RS-485通信端口的三種不同的EMC兼容解決方案，根據(jù)所需的保護級別為設(shè)計人員提供了選擇。EVAL-CN0313-SDPZ 是業(yè)界首款符合 EMC 標(biāo)準(zhǔn)的 RS-485 客戶設(shè)計工具，可為 ESD、EFT 和浪涌提供高達 4 級的保護級別。表 4 總結(jié)了不同保護方案提供的保護級別。雖然這些設(shè)計工具不能取代系統(tǒng)級所需的盡職調(diào)查或資格認證，但它們允許設(shè)計人員在設(shè)計周期開始時降低由于EMC問題而導(dǎo)致項目延誤的風(fēng)險，從而縮短設(shè)計時間和上市時間。

表 4.三種ADM3485E EMC兼容解決方案

審核編輯：郭婷