在實際工業和
儀器儀表(I&I)應用中，RS-485接口鏈路需要在惡劣電磁環境下工作。雷擊、靜電放電和其他電磁現象引起的大瞬變電壓可能損壞通信端口。為了確保這些數據端口能夠在最終安裝環境中正常工作，它們必須符合某些電磁兼容性(EMC)法規。
這些要求包括三個主要瞬變抗擾度標準：靜電放電、電快速瞬變和電涌。
許多EMC問題并不簡單或明顯，因此必須在產生設計開始時予以考慮。如果把這些問題留到設計周期后期去解決，可能導致工程預算和計劃超限。
本文介紹各主要瞬變類型，并針對RS-485通信端口的三種不同成本/保護級別，提出并演示三種不同的EMC兼容解決方案。
ADI公司和Bourns, Inc.攜手合作，共同開發了業界首個EMC兼容RS-485接口設計工具，提供針對IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4 EFT和IEC 61000-4-5電涌的四級保護，從而擴展面向系統的解決方案組合。它根據所需保護級別和可用預算為設計人員提供相應的設計選項。借助這些設計工具，設計人員可在設計周期之初考慮EMC問題，從而降低該問題導致的項目延誤風險。
RS-485標準
工業與儀器儀表(I&I)應用常常需要在距離很遠的多個系統之間傳輸數據。RS-485電氣標準是I&I應用中使用最廣泛的物理層規范之一，I&I應用包括：工業自動化、過程控制、電機控制和運動控制、遠程終端、樓宇自動化（暖通空調HVAC等）、安保系統和再生能源等。
使RS-485成為I&I通信應用理想之選的一些關鍵特性如下：
●長距離鏈路——最長4000英尺
●可在一對絞線電纜上雙向通信
●差分傳輸可提高共模噪聲抗擾度，減少噪聲輻射
●可將多個驅動器和接收器連接至同一
總線
●寬共模范圍（–7 V至+12 V）允許驅動器與接收器之間存在地電位差異
●TIA/EIA-485-A允許數據速率達到數十Mbps
TIA/EIA-485-A描述RS-485接口的物理層，通常與Profibus、Interbus、Modbus或BACnet等更高層協議配合使用，能夠在相對較長的距離內實現穩定的數據傳輸。
但在實際應用中，雷擊、功率感應、直接接觸、電源波動、感應開關和靜電放電可能產生較大瞬變電壓，對RS-485收發器造成損害。設計人員必須確保設備不僅能在理想條件下工作，而且能夠在實際可能遇到的惡劣環境下正常工作。為了確保這些設計能夠在電氣條件惡劣的環境下工作，各個政府機構和監管機構實施了EMC法規。如果設計符合這些法規，可以讓最終用戶確信它們在惡劣環境下也能正常工作。
電磁兼容性
電磁環境由輻射和傳導兩種能量組成，因此EMC包括兩個方面：發射和耐受性。EMC是指電氣系統在目標電磁環境下保持良好性能且不會向該環境引入大量電磁干擾的能力。本文討論如何提高RS-485端口的EMC耐受性以防范三種主要EMC瞬變。
國際電工委員會(IEC)是致力于制定和發布所有電氣、電子和相關技術國際標準的全球領先組織。自1996年以來，向歐盟出售或在歐盟范圍內出售的所有電子設備都必須達到IEC 61000-4-x規范定義的EMC級別。
IEC 61000規范定義了一組EMC抗擾度要求，適用于在住宅、商業和輕工業環境中使用的電氣和電子設備。這組規范包括以下三類高電壓瞬變，電子設計人員必須確保數據通信線路不受它們損害：
●IEC 61000-4-2 靜電放電(ESD)
●IEC 61000-4-4 電快速瞬變(EFT)
●IEC 61000-4-5 電涌耐受性
所有這些規范都定義了測試方法，用以評估電子和電氣設備對指定現象的耐受性。下面概要說明各種測試。
靜電放電
ESD是指靜電荷在不同電位的實體之間的突然傳輸，由靠近接觸或電場感應引起。其特征是在短時間內產生高電流。IEC 61000-4-2測試的主要目的是確定系統在工作過程中對系統外部ESD事件的抗擾度。IEC 61000-4-2描述了兩種耦合測試方法，即所謂接觸放電和空氣放電。接觸放電要求放電槍與受測單元直接接觸。在空氣放電測試期間，放電槍的充電電極朝向受測單元移動，直到氣隙上發生電弧放電。放電槍不與受測單元直接接觸?？諝夥烹姕y試的結果和可重復性會受到多種因素的影響，包括濕度、溫度、氣壓、距離和放電槍逼近受測單元的速率。這種方法能夠更好地反映實際ESD事件，但可重復性較差。因此，接觸放電是首選測試方法。
測試期間，數據端口須經受至少10次正極放電和10次負極放電，脈沖之間間隔1秒。測試電壓的選擇取決于系統端環境。規定的最高測試為4級，要求接觸放電電壓為±8 kV，空氣放電電壓為±15 kV。
圖1顯示了規范所述的8 kV接觸放電電流波形。一些關鍵波形參數包括小于1 ns的上升時間和大約60 ns的脈沖寬度。這說明脈沖總能量約為數十mJ。
圖1. IEC 61000-4-2 ESD波形(8 kV)
電快速瞬變
電快速瞬變測試要求將數個極端快速的瞬變脈沖耦合到信號線上，以代表容性耦合到通信端口的外部開關電路的瞬態干擾，這種干擾可能包括繼電器和開關觸點抖動，以及切換感性或容性負載引起的瞬變，所有這些在工業環境中非常常見。EC 61000-4-4中定義的EFT測試嘗試模擬因為這些類型的事件產生的干擾。
圖2顯示EFT 50 Ω負載波形。EFT波形用具有50 Ω輸出阻抗的發生器在50 Ω阻抗上產生的電壓來描述。輸出波形由15 ms的2.5 kHz至5 kHz突發高壓瞬變脈沖組成，以300 ms間隔重復。每個脈沖具有5 ns的上升時間和50 ns的持續時間，在波形的上升和下降沿的50%點之間測量。單個EFT脈沖的總能量與ESD脈沖相似。單個脈沖的總能量典型值為4 mJ。施加于數據端口的電壓可以高達2 kV。
圖2. IEC 61000-4-4 EFT 50 Ω負載波形
這些快速突發瞬變通過電容耦合鉗耦合到通信線路。EFT通過耦合鉗容性耦合到通信線路，而不是直接接觸。這同樣降低了EFT發生器的低輸出阻抗所引起的負載。耦合鉗和電纜之間的耦合電容取決于電纜直徑、屏蔽和絕緣。
電涌瞬變
電涌瞬變由開關或雷電瞬變產生的過壓引起。開關瞬變的原因可以是電源系統切換、電源分配系統的負載變化或短路等各種系統故障。雷電瞬變的原因可以是附近的雷擊將高電流和電壓注入電路中。IEC 61000-4-5定義了用于評估對這些破壞性電涌的抗擾度的波形、測試方法和測試級別。
波形定義為開路電壓和短路電流下波形發生器的輸出。標準描述了兩種波形。10/700 μs組合波形用于測試要連接到對稱通信線路的端口，例如電話交換線。1.2/50 μs組合波形發生器用于所有其他情形，特別是短距離信號連接。RS-485端口主要使用1.2/50 μs波形，本部分將予以說明。波形發生器的有效輸出阻抗為2 Ω，因此電涌瞬變相關的電流非常高。
圖3顯示1.2/50 μs電涌瞬變波形。ESD和EFT具有相似的上升時間、脈沖寬度和能量水平，但電涌脈沖的上升時間為1.25 μs，脈沖寬度為50 μs。此外，電涌脈沖能量可以達到90 J，比ESD或EFT脈沖的能量高出三到四個數量級。因此，電涌瞬變被認為是最嚴重的EMC瞬變。ESD與EFT相似，因此電路保護的設計可以相似，但電涌則不然，其能量非常高，因此必須以不同方式處理。這是開發保護措施以改善數據端口對所有三種瞬變的抗擾度，同時保持高性價比的過程中會遇到的主要問題之一。
圖3. IEC 61000-4-5電涌1.2/50 μs波形
電阻將電涌瞬變耦合到通信線路。圖4顯示半雙工RS-485器件的耦合網絡。并聯電阻總和為40 Ω。對于半雙工器件，每個電阻為80 Ω。
電涌測試期間，將5個正脈沖和5個負脈沖施加于數據端口，各脈沖間隔最長時間為1分鐘。標準要求，器件在測試期間設置為正常工作狀態。
圖4. 半雙工RS-485器件的耦合/去耦網絡
通過/失敗標準
將瞬變施加于受測系統時，測試結果按照通過/失敗標準分為四類。下面是通過/失敗標準的列表，并舉例說明各標準與RS-485收發器的關系。
●正常工作；施加瞬變期間或之后不會發生位錯誤。
●功能暫時喪失或性能暫時降低，不需要操作員干預；施加瞬變期間或之后的有限時間內可能發生位錯誤。
●功能暫時喪失或性能暫時降低，需要操作員干預；可能發生閂鎖事件，但上電復位后可消除，對器件的功能和性能無永久影響。
●功能喪失，設備永久損壞；器件未通過測試。
標準A是最希望達到的，標準D是不可接受的。永久損壞會導致系統停機和維修/更換成本。對于任務關鍵型系統，標準B和標準C也是不可接受的，因為系統在瞬變事件期間必須能無錯誤運行。
瞬變保護
設計瞬變保護電路時，設計人員必須考慮以下主要事項：
1.該電路必須防止或限制瞬變引起的損壞，并允許系統恢復正常工作，性能影響極小。
2.保護方案應當非?？煽?，足以處理系統在實際應用經受到的瞬變類型和電壓水平。
3.瞬變時長是一個重要因素。對于長時間瞬變，熱效應可能會導致某些保護方案失效。
4.正常條件下，保護電路不得干擾系統運行。
5.如果保護電路因為過應力而失效，它應以保護系統的方式失效。
圖5顯示一個典型保護方案，其特征是具有兩重保護：主保護和次級保護。主保護可將大部分瞬變能量從系統轉移開，通常位于系統和環境之間的接口。它旨在將瞬變分流至地，從而消除大部分能量。
次級保護的目的是保護系統各個部件，使其免受主保護允許通過的任何瞬態電壓和電流的損壞。它經過優化，確保能夠抵御殘余瞬變影響，同時允許系統的敏感部分正常工作。主保護和次級保護的設計必須與系統I/O協同工作，從而最大程度地降低對受保護電路的壓力，這點很重要。主保護器件與次級保護器件之間一般有一個協調元件，如電阻或非線性過流保護器件等，用以確保二者協同應對瞬變。
圖5. 保護方案框圖
RS-485瞬變抑制網絡
就特性而言，EMC瞬態事件在時間上會有變化，因此保護元件必須具有動態性能，而且其動態特性需要與受保護器件的輸入/輸出極相匹配，這樣才能實現成功的EMC設計。器件數據手冊一般只包含直流數據，由于動態擊穿和I/V特性可能與直流值存在很大差異，因此這些數據沒有太多價值。必須進行精心設計并確定特性，了解受保護器件的輸入/輸出級的動態性能，并且使用保護元件，才能確保電路達到EMC標準。
圖6所示電路顯示了三種不同的完整的EMC兼容解決方案。每個解決方案都經過獨立外部EMC兼容性測試公司的認證，各方案使用精選的Bourns外部電路保護元件，針對ADI公司具有增強ESD保護性能的ADM3485E 3.3 V RS-485收發器提供不同的成本/保護級別。所用的Bourns外部電路保護元件包括瞬態電壓抑制器(CDSOT23-SM712)、瞬態閉鎖單元(TBU-CA065-200-WH)、晶閘管電涌保護器(TISP4240M3BJR-S)和氣體放電管(2038-15-SM-RPLF)。
每種解決方案都經過特性測試，確保保護元件的動態I/V性能可以保護ADM3485E RS-485總線引腳的動態I/V特性，使得ADM3485E輸入/輸出級與外部保護元件協同防范瞬變事件。
圖6. 三個EMC兼容ADM3485E電路（原理示意圖，未顯示所有連接）
保護方案1
前面說過，EFT和ESD瞬變具有相似的能量水平，而電涌波形的能量水平則高出三到四個數量級。針對ESD和EFT的保護可通過相似方式實現，但針對高電涌級別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保護及二級電涌保護。本文描述的所有電涌測試都使用1.2/50 μs波形。
此解決方案使用Bourns公司的CDSOT23-SM712瞬變電壓抑制器(TVS)陣列，它包括兩個雙向TVS
二極管，非常適合保護RS-485系統，過應力極小，同時支持RS-485收發器上的全范圍RS-485信號和共模偏移（–7 V至+12 V）。表1顯示針對ESD、EFT和電涌瞬變的電壓保護級別。
表1. 解決方案1保護級別
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。保護方法是將瞬態導致的過壓箝位到電壓限值。這是通過PN結的低阻抗雪崩擊穿實現的。當產生大于TVS的擊穿電壓的瞬態電壓時，TVS會將瞬態箝位到小于保護器件的擊穿電壓的預定水平。瞬變立即受到箝位（< 1 ns），瞬態電流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+12 V至–7 V的收發器共模范圍相匹配，從而提供最佳保護，同時最大程度減小對ADM3485E RS-485收發器的過壓應力。
圖7. CDSOT23-SM712 I/V特性(8 kV)
保護方案2
上一解決方案可提供最高四級ESD和EFT保護，但只能提供二級電涌保護。為了提高電涌保護級別，保護電路變得更加復雜。以下保護方案可以提供最高四級電涌保護。
CDSOT23-SM712專門針對RS-485數據端口設計。以下兩個電路基于CDSOT23-SM712構建，提供更高級別的電路保護。CDSOT23-SM712提供次級保護，而TISP4240M3BJR-S提供主保護。主從保護器件與過流保護之間的協調通過TBU-CA065-200-WH完成。表2顯示使用此保護電路的ESD、EFT和電涌瞬變保護電壓級別。
表2. 解決方案2保護級別(8 kV)
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。這可采用瞬態閉鎖單元(TBU)實現，它是一個主動高速過流保護元件。此解決方案中的TBU是Bourns TBU-CA065-200-WH。
TBU可阻擋電流，而不是將其分流至地。作為串聯元件，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。當發生過流，TVS由于瞬態事件擊穿時，TBU中的電流將升至器件設置的限流水平。此時，TBU會在不足1 μs時間內將受保護電路與電涌斷開。在瞬變的剩余時間內，TBU保持在受保護阻隔狀態，只有極小的電流(<1 mA)通過受保護電路。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。在瞬態事件后，TBU自動復位至低阻抗狀態，允許系統恢復正常工作。
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態
晶閘管等技術實現，例如完全集成電涌保護器(TISP)。TISP充當主保護器件。當超過其預定義保護電壓時，它提供瞬態開路低阻抗接地路徑，從而將大部分瞬變能量從系統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具有非連續電壓-電流特性，它是由于高電壓區和低電壓區之間的切換動作而導致的。圖8顯示了器件的電壓-電流特性。在TISP器件切換到低電壓狀態之前，它具有低阻抗接地路徑以分流瞬變能量，雪崩擊穿區域則導致了箝位動作。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導通狀態之前，TISP器件處在擊穿區域。TBU將保護下游電路，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器件自動復位，以便恢復正常系統運行。
如上所述，所有三個器件與系統I/O協同工作來保護系統免受高電壓和電流瞬變影響。
圖8. TISP切換特性和電壓限制波形
保護方案3
常常需要四級以上的電涌保護。此保護方案可保護RS-485端口免受最高6 kV電涌瞬變的影響。它的工作方式類似于保護解決方案2，但此電路采用氣體放電管(GDT)取代TISP來保護TBU，進而保護次級保護器件
TVS。GDT將針對高于前一種保護機制中所述TISP的過壓和過流應力提供保護。此保護方案的GDT是Bourns公司的2038-15-SM-RPLF。TISP額定電流為220 A，而GDT每個導體的額定電流為5 kA。表3顯示此設計提供的保護級別。
表3. 解決方案3保護級別(8 kV)
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。當瞬態電壓達到GDT火花放電電壓時，GDT將從高阻抗關閉狀態切換到電弧模式。在電弧模式下，GDT成為虛擬短路，提供瞬態開路電流接地路徑，將瞬態電流從受保護器件上轉移開。
圖9顯示GDT的典型特性。當GDT兩端的電壓增大時，放電管中的氣體由于產生的電荷開始電離。這稱為輝光區。在此區域中，增加的電流將產生雪崩效應，將GDT轉換為虛擬短路，允許電流通過器件。在短路事件中，器件兩端產生的電壓稱為弧電壓。輝光區和電弧區之間的轉換時間主要取決于器件的物理特性。
圖9. GDT特性波形
結論
本文說明了處理瞬變抗擾度的三種IEC標準。在實際工業應用中，RS-485通信端口遇到這些瞬變時可能遭到損壞。EMC問題如果是在產品設計周期后期才發現，可能需要重新設計，導致計劃延遲，代價巨大。因此，EMC問題應在設計周期開始時就予以考慮，否則可能后悔莫及，無法實現所需的EMC性能。
在設計面向RS-485網絡的EMC兼容解決方案時，主要難題是讓外部保護元件的動態性能與RS-485器件輸入/輸出結構的動態性能相匹配。
表4. 三種ADM3485E EMC兼容解決方案
本文介紹了適用于RS-485通信端口的三種不同EMC兼容解決方案，設計人員可按照所需的保護級別選擇保護方案。EVAL-CN0313-SDPZ是業界首個EMC兼容RS-485客戶設計工具，針對ESD、EFT和電涌提供最高四級保護。表4總結了不同保護方案提供的保護級別。雖然這些設計工具不能取代所需的系統級嚴格評估和專業資質，但能夠讓設計人員在設計周期早期降低由于EMC問題導致的項目延誤風險，從而縮短產品設計時間和上市時間。(e
