基于ADM3485E的RS - 485通信端口EMC保护电路设计

在工业和仪器仪表应用中，RS - 485总线标准是应用最广泛的物理层总线设计之一。它能在多个系统之间进行差分数据传输，而且往往适用于很长的距离。不过，在实际系统中，雷击、电源波动、电感开关和静电放电等情况会产生大的瞬态电压，对通信端口造成损害。因此，设计符合电磁兼容性（EMC）法规的保护电路至关重要。今天就来和大家分享一下基于ADM3485E的RS - 485通信端口EMC保护电路设计。

文件下载：EVAL-CN0313-SDPZ.pdf

1. 电路概述

Circuits from the Lab™参考电路由ADI工程师设计和构建，经过测试和验证，能快速轻松地进行系统集成，帮助解决模拟、混合信号和RF设计挑战。CN - 0313电路展示了使用ADM3485E收发器为流行的RS - 485通信端口提供三种保护级别的EMC兼容解决方案。

2. RS - 485应用场景与挑战

RS - 485在过程控制网络、工业自动化、远程终端、楼宇自动化（如HVAC和安全系统）、电机控制和运动控制等领域都有广泛应用。但在实际环境中，各种干扰会产生大的瞬态电压，损害通信端口。所以，设计必须满足EMC法规，以确保设备在恶劣电气环境中正常工作。

3. EMC法规与瞬态类型

IEC 61000规范定义了EMC抗扰度要求，对于数据通信线路，主要关注三种高压瞬态：

• 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

ESD和EFT的上升时间、脉冲宽度和能量水平相似，而浪涌瞬态的上升时间和脉冲宽度更长，能量比ESD或EFT瞬态大3 - 4个数量级。因此，ESD和EFT的电路保护设计可以相似，但浪涌瞬态需要不同的处理方式。

4. 保护电路方案

4.1 保护方案1：TVS

此方案使用Bourns CDSOT23 - SM712瞬态电压抑制器（TVS）阵列。在正常工作条件下，TVS对地面具有高阻抗；当出现过电压时，TVS进入雪崩击穿模式，将引脚电压钳位到安全的预定水平，并将瞬态电流引向地面。该方案可提供高达8 kV接触和15 kV空气放电ESD、2 kV EFT和1 kV浪涌保护。

4.2 保护方案2：TVS/TBU/TISP

CDSOT23 - SM712 TVS提供二次保护，Bourns TISP4240M3BJR - S提供主要保护。TISP是固态晶闸管，当超过预定电压时，它提供低阻抗接地路径，将大部分瞬态能量从ADM3485E转移。Bourns TBU - CA065 - 200 - WH瞬态阻断单元（TBU）是在主要和次要保护设备之间的非线性过流保护设备，确保协调工作。该方案可提供高达8 kV接触和15 kV空气放电ESD、2 kV EFT和4 kV浪涌保护。

4.3 保护方案3：TVS/TBU/GDT

此方案与方案2类似，但使用气体放电管（GDT）代替TISP。GDT能保护更高的过电压和过电流，所选的GDT是Bourns 2038 - 15 - SM - RPLF。该方案可提供高达8 kV接触和15 kV空气放电ESD、2 kV EFT和6 kV浪涌保护。

各保护方案的保护级别总结如下表：	保护方案	ESD	EFT (kV)	浪涌 (kV)
1. TVS	8 kV接触，15 kV空气放电	2	1
2. TVS/TBU/TISP	8 kV接触，15 kV空气放电	2	4
3. TVS/TBU/GDT	8 kV接触，15 kV空气放电	2	6

5. 电路评估与测试

5.1 供电与基本测试

给EVAL - CN0313 - SDPZ板的VCC施加3.3 V电压，可以在每个ADM3485E附近的VCC测试点检查电压。通过连接其中一个ADM3485E电路，将信号或模式发生器连接到DI，可测试发送和接收路径。可以在A和B测试点监测驱动器输出，在RO测试点监测接收器输出。

5.2 ESD测试

根据IEC 61000 - 4 - 2，ESD测试采用接触放电和空气间隙放电两种耦合方法。将放电枪直接连接到被测端口进行接触放电；将放电枪的带电电极移向被测端口，直到发生放电形成电弧进行空气放电。对每个总线线路的螺丝端子连接器施加放电。

5.3 EFT测试

对于IEC 61000 - 4 - 4 EFT测试，使用电容耦合夹将EFT脉冲耦合到连接到总线线路的电缆上。耦合夹的耦合电容取决于电缆直径、电缆材料和电缆屏蔽。

5.4 浪涌测试

IEC 61000 - 4 - 5浪涌测试使用耦合/去耦网络（CDN）将浪涌瞬态耦合到总线引脚。根据规范，双端口测试必须使用两个80 Ω电阻。将CDN连接到A和B端子，将浪涌发生器的公共端连接到四端子螺丝连接器的接地端。

所有保护电路都在实验室中与ADM3485E进行了特性测试，并由外部独立的EMC合规测试机构进行了验证。

6. 总结

在设计RS - 485通信端口时，考虑EMC保护至关重要。通过选择合适的保护方案，可以有效提高系统在恶劣电气环境中的可靠性。大家在实际设计中，要根据具体的应用场景和要求，选择最适合的保护电路。同时，建议参考文中提供的相关资料，深入了解各个器件的特性和使用方法。你在RS - 485设计中遇到过哪些EMC问题呢？又是如何解决的？欢迎在评论区分享你的经验。

参考资料

• CN - 0313 Design Support Package: http://www.analog.com/CN0313 - DesignSupport
• ezLINX™ iCoupler® Isolated Interface Development Environment, ezLINX Board Quick Start Guide
• Certified EMC Compliant RS - 485 Interface Design Tool
• Marais, Hein. Application Note AN - 960. RS - 485/RS - 422 Circuit Implementation Guide. Analog Devices, Inc.
• 相关标准文档：Electromagnetic Compatibility (EMC) Part 4 - 2、Part 4 - 4、Part 4 - 5等
• 各器件的数据手册：ADM3485E、CDSOT23 - SM712、TISP4240M3BJR - S、TBU - CA065 - 200 - WH、2038 - 15 - SM - RPLF等