保护RS-485通信网络免受有害EMC事件的影响

作者：James Scanlon and Koenraad Rutgers

在实际的工业和仪器仪表（I&I）应用中，RS-485接口链路必须在恶劣的电磁环境中工作。雷击、静电放电和其他电磁现象引起的大瞬态电压会损坏通信端口。为了确保这些数据端口能够在其最终安装环境中生存，它们必须满足某些电磁兼容性 （EMC） 法规。

这些要求包括三个主要的瞬态抗扰度标准：静电放电、电快速瞬变和浪涌。

许多EMC问题并不简单或明显，因此必须在产品设计之初就加以考虑。将这些考虑因素留到设计周期结束时可能会导致工程预算和进度超支。

本文介绍这些主要的瞬态类型，并介绍和演示三种不同的EMC兼容解决方案，这些解决方案适用于RS-485通信端口上的三种不同的成本/保护级别。

ADI公司和Bourns公司合作，共同开发业界首款符合EMC标准的RS-485接口设计工具，为IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4 EFT和IEC 61000-4-5浪涌提供高达4级保护级别，从而扩展其面向系统的解决方案。它为设计人员提供了取决于所需保护级别和可用预算的设计选项。这些设计工具允许设计人员通过在设计周期开始时考虑EMC问题来降低项目延误的风险。

RS-485 标准

I&I应用需要在多个系统之间进行数据传输，通常是很长的距离。RS-485电气标准是I&I应用中使用最广泛的物理层规范之一，例如工业自动化，过程控制，电机控制和运动控制;远程终端;楼宇自动化，如供暖、通风和空调 （HVAC）;安全系统;可再生能源。

RS-485的一些关键特性使其成为I&I通信应用的理想选择：

长距离链路 — 长达 4000 英尺

可通过单对双绞线进行双向通信

差分传输提高了共模抗扰度并降低了噪声排放

可以在同一总线上连接多个驱动器和接收器

宽共模范围（–7 V至+12 V）允许驱动器和接收器之间的地电位差

TIA/EIA-485-A 允许高达 10 Mbps 的数据速率

TIA/EIA-485-A描述了RS-485接口的物理层，通常与更高级别的协议一起使用，例如Profibus，Interbus，Modbus或BACnet。这允许在相对较长的距离上进行可靠的数据传输。

然而，在实际应用中，雷击、功率感应和直接接触、电源波动、电感开关和静电放电会产生较大的瞬态电压，从而损坏RS-485收发器。设计人员必须确保设备不仅在理想条件下工作，而且在“现实世界”中也能工作。为了确保这些设计能够在电气恶劣的环境中生存，各种政府机构和监管机构都实施了EMC法规。遵守这些法规可为最终用户提供保证，确保设计在这些恶劣环境中按预期运行。

电磁兼容性

电磁环境由辐射能和传导能组成，因此EMC有两个方面：发射和敏感性。因此，EMC具有电子系统在其预期的电磁环境中令人满意地运行的能力，而不会在该环境中引入无法容忍的电磁干扰。本文介绍如何提高RS-485端口对三种主要EMC瞬变的EMC敏感性的保护级别。

国际电工委员会 （IEC） 是世界领先的组织，负责制定和发布所有电气、电子和相关技术的国际标准。自 1996 年以来，所有销往欧洲共同体或在欧洲共同体内销售的电子设备必须符合 IEC 61000-4-x 规范中定义的 EMC 水平。

IEC 61000规范定义了适用于住宅，商业和轻工业环境的电气和电子设备的EMC抗扰度要求集。这组规范包括电子设计人员在数据通信线路中需要关注的三种类型的高压瞬变：

IEC 61000-4-2 静电放电 （ESD）

IEC 61000-4-4 电气快速瞬变 （EFT）

IEC 61000-4-5 浪涌抗扰度

这些规范中的每一个都定义了一种测试方法，以评估电子和电气设备对所定义现象的抗扰度。以下各节总结了这些测试中的每一个。

静电放电

ESD是由近距离接触或电场引起的不同电位的物体之间静电荷的突然转移。它具有短时间内大电流的特点。IEC 61000-4-2测试的主要目的是确定系统在运行期间对系统外部ESD事件的抗扰度。IEC 61000-4-2描述了使用两种耦合方法进行测试。这些被称为接触放电和气隙放电。接触放电意味着放电枪和被测装置之间的直接接触。在空气放电测试期间，放电枪的带电电极朝被测单元移动，直到放电以电弧的形式穿过气隙。放电枪不与被测装置直接接触。许多因素会影响空气放电测试的结果和可重复性，包括湿度、温度、气压、距离和接近被测单元的速度。这种方法可以更好地表示实际的ESD事件，但不是可重复的。因此，接触放电是首选的测试方法。

在测试期间，数据端口至少要经历10次正放电和10次负放电，每个脉冲之间间隔一秒。测试电压的选择取决于系统终端环境。最高规定的测试是 4 级，它定义了 ±8 kV 的接触放电电压和 ±15 kV 的空气放电电压。

图1显示了规范中所述的8 kV接触放电电流波形。一些关键波形参数是上升时间小于1 ns，脉冲宽度约为60 ns。这相当于总能量在 10 mJ 范围内的脉冲。

图1.IEC 61000-4-2 ESD 波形 （8 kV）。

电快速瞬变

电气快速瞬态测试涉及将许多极快的瞬态脉冲耦合到信号线上，以表示与电容耦合到通信端口的外部开关电路相关的瞬态干扰，其中可能包括继电器和开关触点反弹或由电感或容性负载开关引起的瞬变 - 所有这些都在工业环境中非常常见。IEC 61000-4-4 中定义的 EFT 测试尝试模拟这些类型的事件产生的干扰。

图 2 显示了 EFT 50 Ω负载波形。EFT 波形描述为输出阻抗为 50 Ω的发生器在 50 Ω阻抗上的电压。输出波形由 15 ms 突发 2.5 kHz 至 5 kHz 高压瞬变组成，以 300 ms 的间隔重复。每个脉冲的上升时间为5 ns，脉冲持续时间为50 ns，在波形上升沿和下降沿的50%点之间测量。单个EFT脉冲的总能量与ESD脉冲中的总能量相似。单个脉冲的总能量通常为4 mJ。施加到数据端口的电压可高达2 kV。

图2.IEC 61000-4-4 EFT 50 Ω负载波形。

这些快速突发瞬变使用电容箝位耦合到通信线路上。EFT 通过钳位电容耦合到通信线路上，而不是直接接触。这也减少了由EFT发生器的低输出阻抗引起的负载。夹具和电缆之间的耦合电容取决于电缆直径、屏蔽和电缆绝缘。

浪涌瞬变

浪涌瞬变是由开关或雷电瞬变产生的过电压引起的。开关瞬变可能是由电源系统开关、配电系统中的负载变化或各种系统故障（如短路）引起的。雷电瞬变可能是附近雷击注入电路的高电流和电压的结果。IEC 61000-4-5定义了波形，测试方法和测试级别，以评估对这些破坏性浪涌的抗扰度。

波形被指定为波形发生器的开路电压和短路电流的输出。描述了两种波形。10/700 μs 组合波形用于测试用于连接对称通信线路的端口：例如电话交换线。1.2/50 μs组合波形发生器用于所有其他情况，特别是短距离信号连接。对于RS-485端口，主要使用1.2/50 μs波形，本节将讨论。波形发生器的有效输出阻抗为2 Ω;因此，浪涌瞬变具有与之相关的高电流。

图3显示了1.2/50 μs浪涌瞬态波形。ESD 和 EFT 具有相似的上升时间、脉冲宽度和能量水平;但是，浪涌脉冲的上升时间为1.25 μs，脉冲宽度为50 μs。此外，浪涌脉冲能量可以达到近 90 J，比 ESD 或 EFT 脉冲中的能量大三到四个数量级。因此，浪涌瞬变被认为是最严重的EMC瞬变。由于ESD和EFT之间的相似性，电路保护的设计可以相似，但由于其高能量，浪涌必须以不同的方式处理。这是开发保护的主要问题之一，该保护可提高数据端口对所有三种瞬变的抗扰度，同时保持成本效益。

电阻将浪涌瞬变耦合到通信线路上。图4显示了半双工RS-485器件的耦合网络。电阻的总平行总和为 40 Ω。对于半双工器件，每个电阻为80 Ω。

在浪涌测试期间，向数据端口施加五个正脉冲和五个负脉冲，每个脉冲之间的最大时间间隔为一分钟。该标准规定，在测试期间，设备应设置为正常运行条件。

图3.IEC 61000-4-5 浪涌 1.2/50 μs 波形。

图4.半双工RS-485设备的耦合/去耦网络。

通过/失败标准

当瞬态应用于被测系统时，结果分为四个通过/失败标准。以下是通过/未通过标准列表，举例说明了每个标准与RS-485收发器的关系：

正常性能;在应用瞬态期间或之后不会发生位错误

暂时丧失功能或暂时降低性能，不需要操作员;在应用瞬态期间和之后的有限时间内可能会发生位错误

需要操作员暂时丧失功能或性能暂时下降;可能会发生闩锁事件，该事件可以在上电复位后移除，而不会永久丧失功能或降低设备性能

功能丧失，设备永久损坏;设备未通过测试

标准 A 是最理想的，标准 D 是不可接受的。永久性损坏会导致系统停机以及维修和更换费用。对于关键任务系统，B类和C类也是不可接受的，因为系统必须在瞬态事件期间无错误运行。

瞬态保护

在设计电路以防止瞬变时，设计人员必须考虑几个主要事项：

电路必须防止或限制瞬态造成的损坏，并允许系统恢复正常工作，同时将对性能的影响降至最低。

保护方案应足够稳健，以处理系统在现场将承受的瞬变类型和电压电平。

与瞬态相关的时间长度是一个重要因素。对于长瞬态，加热效应会导致某些保护方案失效。

在正常情况下，保护电路不应干扰系统运行。

如果保护电路在过应力期间失效，则应以保护系统的方式失效。

图5显示了一个典型的保护方案，其特征是具有一级和二级保护。将大部分瞬态能量从系统中转移出去的主保护通常位于系统与环境之间的接口处。它旨在通过将瞬态转移到地面来消除大部分能量。

二级保护系统的各个部分免受初级保护允许的任何瞬态电压和电流的影响。它经过优化，可确保防止这些残余瞬变，同时允许系统的这些敏感部件正常运行。必须指定初级和次级设计与系统I/O协同工作，以最大程度地减少受保护电路上的应力。这些设计通常在初级和次级保护器件之间包括一个协调元件，例如电阻或非线性过流保护装置，以确保协调发生。

图5.保护方案 - 框图。

RS-485 瞬态抑制网络

从本质上讲，EMC瞬态事件随时间变化，因此动态性能以及保护元件的动态特性与受保护器件的输入/输出级的匹配导致EMC设计成功。元件数据手册通常只包含直流数据，鉴于动态击穿和I/V特性可能与直流值有很大不同，因此其价值有限。为了确保电路符合EMC标准，需要仔细设计、表征并了解受保护器件的输入/输出级和保护元件的动态性能。

图6所示电路说明了三种不同的完全表征的EMC兼容解决方案。每种解决方案都经过独立的外部EMC一致性测试机构的认证，每种解决方案都为ADI公司的ADM3485E 3.3 V RS-485收发器提供不同的成本/保护水平，该收发器采用精选的Bourns外部电路保护元件，具有增强的ESD保护功能。Bourns 使用的外部电路保护组件包括瞬态电压抑制器 （CDSOT23-SM712）、瞬态阻断单元 （TBU-CA065-200-WH）、晶闸管浪涌保护器 （TISP4240M3BJR-S） 和气体放电管 （2038-15-SM-RPLF）。

每种解决方案的特性都确保保护元件的动态I/V性能能够保护ADM3485E RS-485总线引脚的动态I/V特性，从而使ADM3485E的输入/输出级与外部保护元件之间的相互作用共同发挥作用，从而防止瞬态事件。

图6.三个符合EMC标准的ADM3485E电路（原理示意图，未显示所有连接）。

保护方案1

如前所述，EFT 和 ESD 瞬变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个数量级。ESD和EFT防护以类似的方式完成，但防止高电平或浪涌需要更复杂的解决方案。此处介绍的第一个解决方案可保护高达 4 级 ESD 和 EFT 以及 2 级浪涌。1.2/50 μs波形用于本文所述的所有浪涌测试。

该解决方案采用 Bourns CDSOT23-SM712 瞬态电压抑制器 （TVS） 阵列，该阵列由两个双向 TVS 二极管组成，经过优化，可在 RS-485 收发器上以最小的过应力保护 RS-485 系统，同时允许 RS-485 收发器上的全范围 RS-485 信号和共模偏移（–7 V 至 +12 V）。表1显示了针对ESD、EFT和浪涌瞬变保护的电压电平。

表 1.解决方案 1 保护级别

 

静电放电 （-4-2）		电子转帐 （-4-4）		浪涌 （-4-5）
水平	电压 （接触/空气）	水平	电压	水平	电压
4	8 kV/15 kV	4	2 千伏	2	1 kV

 

TVS是一种基于硅的设备。在正常工作条件下，TVS对地阻抗高;理想情况下，它是一个开路。保护是通过将过压从瞬态箝位到电压限值来实现的。这是通过PN结的低阻抗雪崩击穿完成的。当产生大于TVS击穿电压的瞬态电压时，TVS将瞬态钳位到小于其所保护设备的击穿电压的预定水平。瞬态瞬态被瞬时箝位（<1 ns），瞬态电流从受保护器件转移到地。

确保TVS的击穿电压超出受保护引脚的正常工作范围非常重要。CDSOT23-SM712的独特之处在于，它具有+13.3 V和–7.5 V的不对称击穿电压，以匹配+12 V至–7 V的收发器共模范围，从而提供最佳保护，同时最大限度地降低ADM3485E RS-485收发器上的过压应力。

图7.CDSOT23-SM712 I/V 特性。

保护方案2

以前的解决方案可保护高达 4 级 ESD 和 EFT，但只能保护 2 级浪涌。为了提高浪涌保护水平，保护电路变得更加复杂。以下保护方案将保护高达 4 级的浪涌。

CDSOT23-SM712 专为 RS-485 数据端口而设计。接下来的两个电路基于 CDSOT23-SM712 构建，以提供更高水平的电路保护。CDSOT23-SM712 提供二级保护，而 TISP4240M3BJR-S 提供一级保护。初级和次级保护器件之间的协调以及过流保护使用 TBU-CA065-200-WH 完成。表2显示了使用该保护电路保护ESD、EFT和浪涌瞬变的电压电平。

表 2.解决方案 2 保护级别

 

静电放电 （-4-2）		电子转帐 （-4-4）		浪涌 （-4-5）
水平	电压 （接触/空气）	水平	电压	水平	电压
4	8 kV/15 kV	4	2 千伏	2	4 千伏

 

当对保护电路施加瞬态时，TVS将击穿，通过提供低阻抗接地路径来保护器件。对于大电压和电流，还必须通过限制通过TVS的电流来保护TVS。这是使用瞬态阻断单元（TBU）完成的，TBU是一种有源高速过流保护元件。此解决方案中的 TBU 是 Bourns TBU-CA065-200-WH。

TBU 阻断电流，而不是将其分流到地。作为串联元件，它对通过器件的电流做出反应，而不是对接口上的电压做出反应。TBU是一种高速过流保护元件，具有预设的电流限制和高耐压能力。当发生过电流并且TVS因瞬态事件而击穿时，TBU中的电流将上升到器件设置的电流限制水平。此时，TBU在不到1 μs的时间内断开受保护电路与浪涌的连接。在瞬变的其余部分，TBU保持受保护的阻断状态，极低的电流（<1 mA）通过受保护电路。在正常工作条件下，TBU表现出低阻抗，因此对正常电路操作的影响最小。在阻塞模式下，它具有非常高的阻抗来阻挡瞬态能量。瞬态事件发生后，TBU 会自动复位到其低阻抗状态，并允许恢复正常的系统操作。

与所有过流保护技术一样，TBU具有最大击穿电压，因此初级保护器件必须箝位电压并将瞬态能量重定向到地。这通常使用气体放电管或固态晶闸管等技术来完成，例如完全集成的电涌保护器（TISP）。TISP 充当主要保护设备。当超过其预定义的保护电压时，它提供一条撬棍低阻抗接地路径，从而将大部分瞬态能量从系统和其他保护器件转移出去。

TISP的非线性电压-电流特性通过转移产生的电流来限制过电压。作为晶闸管，TISP具有由高压和低压区域之间的开关动作引起的不连续电压-电流特性。图8显示了该器件的电压电流特性。在TISP器件切换到低电压状态之前，低阻抗接地以分流瞬态能量，由雪崩击穿区域引起箝位动作。在限制过压时，受保护电路将在TISP器件处于击穿区域的短时间内暴露在高压下，然后才切换到低压保护导通状态。TBU将保护下游电路免受这种高电压产生的高电流的影响。当转移电流降至临界值以下时，TISP器件会自动复位，从而恢复正常的系统操作。

如上所述，所有三个组件与系统I/O协同工作，以保护系统免受高压和电流瞬变的影响。

图8.TISP开关特性和限压波形。

保护方案3

通常需要高于 4 级浪涌的保护级别。该保护方案将保护RS-485端口，最高可达6 kV浪涌瞬变。它的工作方式与保护方案2类似，但在此电路中，使用气体放电管（GDT）代替TISP来保护TBU，而TBU又保护辅助保护装置TVS。GDT将提供比先前保护方案中描述的TISP更高的过压和过流应力保护。此保护方案的GDT是Bourns 2038-15-SM-RPLF。TISP 的额定电流为 220 安培，而 GDT 额定电流为每根导线 5 kA。表 3 显示了此设计提供的保护级别。

表 3.解决方案 3 保护级别

 

静电放电 （-4-2）		电子转帐 （-4-4）		浪涌 （-4-5）
水平	电压 （接触/空气）	水平	电压	水平	电压
4	8 kV/15 kV	4	2 千伏	X	6 千伏

 

GDT主要用作初级保护器件，提供低阻抗接地路径，以防止过压瞬变。当瞬态电压达到GDT火花放电电压时，GDT将从高阻抗关断状态切换到电弧模式。在电弧模式下，GDT变为虚拟短路，提供一条撬棍电流路径到地，并将瞬态电流从受保护器件转移开。

图9显示了GDT的典型特性。当GDT两端的电压增加时，由于管子上产生的电荷，管中的气体开始电离。这称为发光区域。在这个区域，增加的电流将产生雪崩效应，将GDT转换为虚拟短路，允许电流通过器件。在短路事件期间，器件两端产生的电压称为电弧电压。辉光和电弧区域之间的过渡时间高度依赖于器件的物理特性。

图9.GDT特性波形。

结论

本文介绍了处理瞬态抗扰度的三个感兴趣的IEC标准。在实际工业应用中，受到这些瞬变影响的RS-485通信端口可能会损坏。在产品设计周期后期发现的EMC问题可能需要昂贵的重新设计，并且通常会导致进度超支。因此，EMC问题应该在设计周期开始时考虑，而不是在以后的阶段考虑，因为实现所需的EMC性能可能为时已晚。

为RS-485网络设计EMC兼容解决方案的关键挑战是将外部保护组件的动态性能与RS-485器件输入/输出结构的动态性能相匹配

本文演示了针对RS-485通信端口的三种不同的EMC兼容解决方案，根据所需的保护级别为设计人员提供了选择。EVAL-CN0313-SDPZ 是业界首款符合 EMC 标准的 RS-485 客户设计工具，可为 ESD、EFT 和浪涌提供高达 4 级的保护级别。表 4 总结了不同保护方案提供的保护级别。虽然这些设计工具不能取代系统级所需的尽职调查或资格认证，但它们允许设计人员在设计周期开始时降低由于EMC问题而导致项目延误的风险，从而缩短设计时间和上市时间。

表 4.三种ADM3485E EMC兼容解决方案

 

	静电放电 （-4-2）		电子转帐 （-4-4）		浪涌 （-4-5）
保障计划	水平	电压 （接触/空气）	水平	电压	水平	电压
紫外线2	4	8 kV/15 kV	4	2 千伏	4	1 千伏
电视/TBU/TISP	4	8 kV/15 kV	4	2 千伏	4	4 千伏
电视/待定/GDT	4	8 kV/15 kV	4	2 千伏	X	6 千伏

 

审核编辑：郭婷