实现工业RS485网络的emc兼容

保持RS485信号的完整性:电磁兼容暂态保护要求保护器件的性能与收发器件的特性相匹配。建议的电路可以帮助设计人员减少由于EMC问题而导致项目延误的风险。见图表、表格。

托马斯·库格尔施塔特著 7月17日

现代工业网络依靠强大的RS485通信链路进行长距离数据传输，因此保护信号清晰度可能是一个挑战。这些网络必须在恶劣的工业环境中运行，因此会受到静电放电、电快速瞬变和雷击等产生的大瞬态电压的强电磁干扰。长距离通信的数据速率范围从10kbps到250kbps，距离可达4000英尺(1200米)，最近甚至可达6000英尺(2000米)。由于其跨双绞线的差分信号技术以及在高共模环境中可靠运行的能力，RS485已成为工业应用中的接口主力。

为了防止由于高压和电流瞬变造成收发器损坏而造成的昂贵的网络停机，国际电工委员会(IEC)制定了静电放电(ESD)、电快速瞬变(EFT)和浪涌瞬变的瞬变抗扰度测试。为了实现正确的网络，需要了解每种暂态、它们的应用以及设计解决方案，以防止组件损坏。

瞬态比较

静电放电测试是模拟人体对电子设备的静电放电。测试脉冲的上升时间约为1ns，持续时间小于100ns。一个测试序列由10个正脉冲和10个负脉冲组成，每个脉冲之间有1秒的暂停间隔(图1)。ESD在所有瞬态中具有最低的能量含量。

突发试验模拟由感应开关、继电器触点弹跳等引起的开关瞬变。这个测试应用了一系列被称为突发的测试脉冲。测试脉冲的上升时间为5纳秒，持续时间约为400纳秒。脉冲由75个脉冲组成，以5千赫的重复率施加，然后是300毫秒的暂停。测试序列包括6次10秒的脉冲，间隔10秒，每分钟产生14000次脉冲。在相同的测试电压下，EFT脉冲序列的能量是ESD脉冲的300倍。

浪涌试验模拟由雷电和重感性负载引起的开关瞬变。该测试区分了具有不同上升时间和脉冲持续时间的开路和短路脉冲形状。在应用过程中，测试脉冲通常被称为组合波形。浪涌瞬态比ESD或突发瞬态长1000倍。此外，浪涌发生器的低源阻抗保证了高压下的高浪涌电流。一个测试序列由五个正浪涌脉冲和五个负浪涌脉冲组成，脉冲之间有一分钟的暂停间隔。浪涌瞬态脉冲的能量大约是EFT脉冲序列的100倍，是相同测试电压下ESD脉冲的3万倍。

遗留保护方法

图2显示了两种经典的保护方案，旨在防止总线收发器损坏和由高压瞬态和其他共模噪声引起的误码。

图2a中的电路使用转向二极管，在瞬态事件的情况下，将信号线钳位到VCC(共集电极电压)或地电位。该电路源于传统的总线终端方案，使用肖特基二极管来最小化非端接总线的反射。在信号反射的情况下，通常上升到VCC以上和地下的水平，这些二极管将反射信号限制在VCC + VFW(全波电压)的最大水平，为正反射，0 V地(GND) - VFW为负反射。

这种性能存在两个主要问题。首先，由于二极管的早期箝位作用，该电路仅在小共模环境中工作。然而，EIA485标准要求在- 7v到+ 12v的共模电压范围内进行可靠的数据传输，因此该电路RS485不兼容。

第二个问题是，每次这些二极管传导或箝位，字面上发生在每个信号转换，二极管电流的巨大峰值被转移或转向VCC或地。这些电流峰值有助于从电路到环境的大量辐射发射，因此最有可能失败任何电磁干扰(EMI)合规测试。

虽然图2b中的电路使用了更复杂的保护方案，但所应用的元件可能会阻止它抑制快速瞬变。例如，低成本的SMAJ、SMBJ和SMCJ型瞬态电压抑制器(TVS)具有大的结电容，因此响应时间长。在快速瞬变的情况下，在TVS二极管开始夹紧之前可能发生高达120v的电压过调，使收发器不可避免地损坏。

具有正温度系数(ptc)的电阻器在存在大电流时增加其电阻。它们的响应时间在毫秒范围内，这对于浪涌瞬态来说太慢了，更不用说ESD和EFT脉冲了。

共模扼流圈通常是过滤共模噪声的首选工具。然而，它们的应用需要详细研究扼流圈特性以及它们如何适应应用。仅仅从音频或USB-3.0参考设计中复制保护电路并期望其在远距离RS485应用中工作是不可可行的。

大量文献建议增加滤波电容以使滤波器响应变陡。但是，必须注意防止滤波器传递函数在截止频率附近产生不必要的高峰。快速瞬变，如ESD和EFT，具有从3mhz到3ghz的宽带宽，其中一些可能被滤波器峰值无意地放大。

此外，滤波电容器应在值上匹配。较大的元器件公差导致信号线之间截止频率不同，从而将共模转换为差分噪声，导致数据误差。

现代电路保护

图3给出了不同级别暂态保护的各种保护电路。

图3a中的电路采用快速、低电容(75pf)、400瓦TVS，击穿电压为13.5 V和-7.5 V，确保符合EIA485规定的共模电压范围为12v至- 7v。串联电阻，Rs，在A和B信号线是经常被忽视的必需品。这些电阻器在瞬态事件期间提供电流限制，以及产生必要的压降以保持TVS在瞬态持续时间内打开。

图3b中的电路旨在实现更高的浪涌保护水平，因此，还需要使用瞬态阻塞单元(TBU)和晶闸管瞬态抑制器(TISP)。

TBU有电流和电压触发。在浪涌事件期间，通过TBU的电流在大约10ns内上升到电流极限水平。此时，内部电压开关在大约1 μs内断开负载(TVS和收发器)。在浪涌的剩余时间内，TBU设备在负载的极低电流和电压的保护状态下保持高阻抗，漏电流小于1 mA。

TISP器件是一个对称的、电压触发的、双向晶闸管。过电压最初通过击穿箝位被截断，直到电压上升到导通水平，这导致设备进入低压导通状态。这种低电压导通状态使过电压产生的电流安全地通过器件转移。当分流电流低于保持电流值时，器件关闭。

在前面的案例中，TVS和串联电阻保护收发器可控硅，对于增加的浪涌瞬态电平，TBU和TISP保护TVS及其后续电路。

对于更高的浪涌电平，图3c中的电路用气体放电管代替TISPs。气体放电管(GDTs)的设计是为了防止瞬态干扰的损坏，通过充当“撬棍”，在传导过程中产生虚拟的短路接地。当电浪涌超过GDT的定义击穿电压水平时，气体被电离并发生快速传导。当浪涌通过并且系统电压恢复到正常水平时，GDT返回到其高阻抗(关)状态。

表1列出了图3中电路的保护等级，表2给出了物料清单。

表1:图3中电路的保护等级

礼貌:TI

表2:图3中电路的物料清单

礼貌:TI

匹配的特征

使保护元件的性能与收发器元件的特性相匹配，是实现电磁兼容暂态保护的关键。虽然建议的电路不能取代系统级所需的尽职调查，但它们可以帮助设计人员减少由于EMC问题导致的项目延迟的风险。

- Thomas Kugelstadt是德州仪器公司的高级系统工程师。编辑:马克T.霍斯克，内容经理，CFE媒体，控制工程、mhoske@cfemedia.com．

在线

在www.globalelove.com/archive八月，见参考资料，更多信息。

www.ti.com/esd-ca

www.ti.com/industrial-ca