CN0313：EMC COMPLIANT RS-485收发器保护电路图

　　电路功能与优势

　　图1所示电路使用ADM3485E 收发器，是经过验证并测试的电磁兼容性（EMC）解决方案，可为使用广泛的RS-485通信端口提供三重保护。每个解决方案都经过测试和特性表征，确保收发器和保护电路元件之间的动态交互能够协同工作，保护它们免遭静电放电（ESD）、电快速瞬变脉冲群 （EFT）和电涌的破坏——分别由IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-4 和IEC 61000-4-5标准定义。本电路使用ADM3485E提供经过验证的RS-485接口ESD、EFT和电涌（常见于恶劣工作环境） 保护。

　　优势和特点

　　稳定的EMC兼容RS-485收发器接口

　　针对特定ESD、EFT和浪涌电平进行测试

　　应用：

　　楼宇控制和自动化

　　现场仪器仪表和智能发送器

　　暖通空调

　　仪器仪表

　　电机控制

　　可编程逻辑控制和分布式控制系统

　　传感器和传感器接口

 

　　电路描述

　　在工业和仪器仪表应用中，RS-485总线标准是使用最广泛的物理层总线设计标准之一。RS-485提供多个系统之间的差分数据传输，这些系统通常相距很远。RS-485的应用包括：过程控制网络、工业自动化、远程终端、楼宇自动化（例如，暖通空调（HVAC）、保安系统）、电机控制和运动控制。

　　在这些实际的系统中，雷击、电源波动、感应开关和静电放电会通过产生较大瞬变电压对通信端口造成损害。设计人员必须确保设备不仅能在理想条件下工作，而且能够在实际可能遇到的恶劣环境下正常工作。为了确保这些设计能够在电气条件恶劣的环境下工作，必须符合EMC规范。

　　许多EMC的问题并不简单，且不易呈现，因此必须在产品开发周期的初级阶段即将其考虑在内。正确的解决方案和保护电路必须作为整体设计的一部分，而非留到最后一刻。保护电路必须集成特定收发器生产商的输入和输出结构，作为设计的组成部分。

　　IEC 61000规范定义了一组EMC耐受性要求。在这组规范中，设计人员必须考虑数据通信线路的下列三类高压瞬变：

　　IEC 61000-4-2静电放电（ESD）

　　IEC 61000-4-4电快速瞬变脉冲群（EFT）

　　IEC 61000-4-5电涌耐受

　　ESD和EFT具有类似的上升时间、脉冲宽度和能耗水平。电涌瞬变具有更长的上升时间和脉冲宽度；其幅度最终可能比ESD或EFT瞬变电能的幅度高3至4个数量级。由于ESD和 EFT瞬变的相似性，它们的电路保护设计也相近。但是因为电涌瞬变的电能水平较高，因此必须将它们区别对待。

　　每款解决方案都向数据端口提供ESD电压（8 kV接触放电和 15 kV空气放电）以及2 kV的EFT电压保护。不同的解决方案提供高达6 kV的更高电涌保护等级。电路保护等级列于表1中。

　　

　　图2显示EVAL-CN0313-SDPZ板的实物照片。电路板上有三个ADM3485E器件，每个器件用于一种保护方案。每种保护方案都提供本文描述的ESD和EFT保护，并提升电涌保护等级。

　　有关EVAL-CN0313-SDPZ板的完整设计支持包，包括原理图、布局文件和物料清单，请参阅 www.analog.com/CN0313-DesignSupport.

　　

　　图2. EVAL-CN0313-SDPZ板

　　ADM3485E是一款3.3 V低功耗数据收发器，适合用于多点传输线路的半双工通信。它的数据速率高达12 Mbps，总线引脚（A和B）上的共模电压范围为−7 V至+12 V。数据通过DI 引脚发送出去，通过RO引脚接收。驱动器和接收器的输出都可使能或禁用，即通过改变DE和 RE 引脚上的相应逻辑电平，进入高阻抗状态。

　　电源和接地通过螺旋电缆连接器互相连接 （VCC。 和 GND）该连接器供全部三个ADM3485E器件使用。

　　DE和RE逻辑输入通过LK1至LK6设置。对每个ADM3485E 而言，LK2、LK4和LK6与DE有关；LK1、LK3和LK5与 RE。有关。对每条链路而言，位置A连接逻辑引脚至VCC位置 B连接逻辑引脚至GND；位置C连接逻辑引脚至四引脚侧面螺旋电缆连接器。输入DI和输出RO引脚直接连接四引脚螺旋连接器。

　　EVAL-CN0313-SDPZ还兼容ADI公司的ezLINX™板 （EZLINX-IIIDE-EBZ）以及系统开发平台（EVAL-SDP-CB1Z）。连接器J8将SDP或ezLINX板上的UART和GPIO接口与ADM3485E器件的逻辑I/O相连。I/O连接和跳线配置如表2所示。

　　

　　ADM3485E发送器和接收器共用同样的差分总线引脚（A和B）。保护电路用于保护这些总线引脚。

　　在第一个保护电路中（TVS，如图1所示），使用了一个元件，即Bourns公司的CDSOT23-SM712。它是EVALCN0313-SDPZ上的瞬变电压抑制器（TVS）阵列。它由两个双向TVS二极管组成，经过优化后保护RS-485系统，使其受到尽可能少的过应力，同时支持全范围RS-485 信号和共模电压偏移。在正常工作条件下，TVS具有很高的对地阻抗。发生过压情况时，TVS进入雪崩击穿模式，并将引脚电压箝位于安全的预定电平。然后，它将瞬变电流从ADM3485E转移到地。

　　此保护方案提供高达8 kV（接触放电）和15 kV（空气放电）ESD保护、2 kV EFT保护和1 kV电涌保护。

　　如CDSOT23-SM712数据手册中所述，该器件专为RS-485设备而设计。以下两个保护方案应用于CDSOT23-SM712，提供针对电涌的更高级电路保护。

　　在第二个方案中（图1中的TVS/TBU/TISP），CDSOT23-SM712 TVS提供第二级保护，而Bourns公司的TISP4240M3BJR-S提供第一级保护。TISP4240M3BJR-S是一款完全集成式电涌保护器 （TISP）。TISP是一款固态晶闸管。当超过其预定保护电压时，TISP提供低阻抗接地路径，将大部分瞬变能量从ADM3485E转移开。

　　Bourns公司的TBU-CA065-200-WH瞬态闭锁单元 （TBU）是一款非线性过流保护器件，位于第一级和第二级保护器件之间，确保协调工作。TBU是一款过流闭锁器件，在预定电流下开路。在阻隔模式下，它具有很高的阻抗以阻隔瞬变能量。此保护方案提供高达8 kV（接触放电）和15 kV（空气放电）ESD保护、2 kV EFT保护和4 kV电涌保护。

　　第三级保护方案（图1中的TVS/TBU/ GDT工作情况与保护方案2相似。该方案使用气体放电管（GDT）而非TISP。GDT针对比前述TISP保护方案更高的过压和过流提供保护。GDT是气体放电等离子器件，提供低阻抗接地路径以防止过压瞬变。所选GDT为Bourns公司的2038-15-SM-RPLF。

　　该第三级保护方案提供高达8 kV（接触放电）和15 kV（空气放电）ESD保护、2 kV EFT保护和6 kV电涌保护。

　　ADM3485E有一个120 Ω引脚与总线引脚相连。

　　电路评估与测试

　　为EVAL-CN0313-SDPZ板施加3.3 V至VCC电源。电压可通过每个ADM3485E附近的VCC测试点检查。发送和接收路径可通过连接其中一个ADM3485E电路进行测试，如图3所示。信号或模式发生器可连接到DI。驱动器的输出可通过A和B 测试点监控，而接收器的输出可通过RO测试点监控。跳线配置如图3所示。该测试设置可应用于全部三个电路。

　　

　　图3. 发送和接收测试设置

　　根据IEC 61000-4-2，ESD测试需使用两种耦合方法，即接触放电和空气放电。接触放电意味着放电枪与测试端口直接相连。采用空气放电法时，放电枪的放电电极向测试端口移动，直到产生放电并在整个气隙上形成一道弧。向每条总线线路的螺丝端子连接器放电。

　　对于IEC 61000-4-4 EFT测试，使用容性耦合箝位将EFT突发脉冲耦合至连接总线线路的电缆。箝位的耦合电容值取决于电缆直径、电缆材料和电缆的屏蔽情况。

　　IEC 61000-4-5电涌测试表示需要使用耦合/去耦网络（CDN），以便将电涌瞬变耦合至总线引脚。根据规格要求，它必须使用两个80 Ω电阻针对两个端口测试。图4显示电涌测试的测试设置。将CDN连接至A和B引脚，以及将电涌发生器的共模端连接至4个引脚螺旋连接器的接地。

　　

　　图4. IEC 61000-4-5电涌CDN输入ADM3485E的设置
 

　　本文描述的所有保护电路均采用ADM3485E，经过实验室特性表征并通过了外部独立的EMC兼容性测试公司的验证。

　　有关ezLINX iCoupler®隔离式接口开发环境的更多信息，请参考 http://wiki.analog.com/resources/eval/ezlinx.

　　有关EMC的其他关键问题，请访问 http://www.analog.com/rs485emc.