如何保护RS-485通信网络不受有害EMC影响

　　CDSOT23-SM712专门针对RS-485数据端口设计。以下两个电路基于CDSOT23-SM712构建，提供更高级别的电路保护。CDSOT23-SM712提供次级保护，而TISP4240M3BJR-S提供主保护。主从保护器件与过流保护之间的协调通过TBU-CA065-200-WH完成。表2显示使用此保护电路的ESD、EFT和电涌瞬变保护电压级别。

　　表2. 解决方案2保护级别（8 kV）

　　当瞬变能量施加于保护电路时，TVS将会击穿，通过提供低阻抗的接地路径来保护器件。由于电压和电流较高，还必须通过限制通过的电流来保护TVS.这可采用瞬态闭锁单元（TBU）实现，它是一个主动高速过流保护元件。此解决方案中的TBU是Bourns TBU-CA065-200-WH.

　　TBU可阻挡电流，而不是将其分流至地。作为串联元件，它会对通过器件的电流做出反应，而不是对接口两端的电压做出反应。TBU是一个高速过流保护元件，具有预设电流限值和耐高压能力。当发生过流，TVS由于瞬态事件击穿时，TBU中的电流将升至器件设置的限流水平。此时，TBU会在不足1 μs时间内将受保护电路与电涌断开。在瞬变的剩余时间内，TBU保持在受保护阻隔状态，只有极小的电流（1 mA）通过受保护电路。在正常工作条件下，TBU具有低阻抗，因此它对正常电路工作的影响很小。在阻隔模式下，它具有很高的阻抗以阻隔瞬变能量。在瞬态事件后，TBU自动复位至低阻抗状态，允许系统恢复正常工作。

　　与所有过流保护技术相同，TBU具有最大击穿电压，因此主保护器件必须箝位电压，并将瞬变能量重新引导至地。这通常使用气体放电管或固态晶闸管等技术实现，例如完全集成电涌保护器（TISP）。TISP充当主保护器件。当超过其预定义保护电压时，它提供瞬态开路低阻抗接地路径，从而将大部分瞬变能量从系统和其他保护器件转移开。

　　TISP的非线性电压-电流特性通过转移产生的电流来限制过压。作为晶闸管，TISP具有非连续电压-电流特性，它是由于高电压区和低电压区之间的切换动作而导致的。图8显示了器件的电压-电流特性。在TISP器件切换到低电压状态之前，它具有低阻抗接地路径以分流瞬变能量，雪崩击穿区域则导致了箝位动作。在限制过压的过程中，受保护电路短暂暴露在高压下，因而在切换到低压保护导通状态之前，TISP器件处在击穿区域。TBU将保护下游电路，防止由于这种高电压导致的高电流造成损坏。当转移电流降低到临界值以下时，TISP器件自动复位，以便恢复正常系统运行。

　　如上所述，所有三个器件与系统I/O协同工作来保护系统免受高电压和电流瞬变影响。

　　图8. TISP切换特性和电压限制波形

　　保护方案3

常常需要四级以上的电涌保护。此保护方案可保护RS-485端口免受最高6 kV电涌瞬变的影响。它的工作方式类似于保护解决方案2,但此电路采用气体放电管（GDT）取代TISP来保护TBU,进而保护次级保护器件TVS.GDT将针对高于前一种保护机制中所述TISP的过压和过流应力提供保护。此保护方案的GDT是Bourns公司的2038-15-SM-RPLF.TISP额定电流为220 A,而GDT每个导体的额定电流为5 kA.表3显示此设计提供的保护级别。

　　表3. 解决方案3保护级别（8 kV）

　　GDT主要用作主保护器件，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将从高阻抗关闭状态切换到电弧模式。在电弧模式下，GDT成为虚拟短路，提供瞬态开路电流接地路径，将瞬态电流从受保护器件上转移开。

　　图9显示GDT的典型特性。当GDT两端的电压增大时，放电管中的气体由于产生的电荷开始电离。这称为辉光区。在此区域中，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。在短路事件中，器件两端产生的电压称为弧电压。辉光区和电弧区之间的转换时间主要取决于器件的物理特性。

　　图9. GDT特性波形

　　结论

　　本文说明了处理瞬变抗扰度的三种IEC标准。在实际工业应用中，RS-485通信端口遇到这些瞬变时可能遭到损坏。EMC问题如果是在产品设计周期后期才发现，可能需要重新设计，导致计划延迟，代价巨大。因此，EMC问题应在设计周期开始时就予以考虑，否则可能后悔莫及，无法实现所需的EMC性能。

　　在设计面向RS-485网络的EMC兼容解决方案时，主要难题是让外部保护元件的动态性能与RS-485器件输入/输出结构的动态性能相匹配。

　　本文介绍了适用于RS-485通信端口的三种不同EMC兼容解决方案，设计人员可按照所需的保护级别选择保护方案。EVAL-CN0313-SDPZ是业界首个EMC兼容RS-485客户设计工具，针对ESD、EFT和电涌提供最高四级保护。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所需的系统级严格评估和专业资质，但能够让设计人员在设计周期早期降低由于EMC问题导致的项目延误风险，从而缩短产品设计时间和上市时间。

　　表4. 三种ADM3485E EMC兼容解决方案