簡介

ADM2795E 是一款 5 kV rms 信號隔離 RS-485 收發(fā)器，其集成 ADI 公司的 iCoupler^® 技術，將 RS-485 收發(fā)器和國際電工委員會 (IEC) 電磁兼容性 (EMC) 保護集成于單封裝中。ADM2795E 適用于惡劣工業(yè)環(huán)境中面臨著多種威脅的 RS-485 通信接口，這些威脅可能干擾通信或?qū)е掠谰眯該p壞。工業(yè)自動化可編程邏輯控制器 (PLC) 通信端口通常使用 RS-485 接口，這些端口可能經(jīng)受較大的共模噪聲、接地電位差、接線錯誤和高壓瞬變，如靜電放電 (ESD)、電快速瞬變 (EFT) 和雷電浪涌。工業(yè)自動化的系統(tǒng)級 IEC 標準(如 IEC 61131-2) 規(guī)定了多種 IEC ESD、EFT 和浪涌保護級別以及對輻射、傳導和磁場干擾的抗擾度。

經(jīng)認證的 IEC EMC 性能概述

ADM2795E 可提供完整的系統(tǒng)級解決方案，該方案符合 IEC 61000 浪涌、EFT 和 ESD 標準以及對傳導、輻射和磁場干擾的抗擾度，這些干擾在工業(yè)環(huán)境中很常見。隔離魯棒性和 EMC 保護的集成大幅節(jié)省了印刷電路板 (PCB) 空間，以供通信端口接口使用。ADM2795E 還集成了全面的 ±42 V 高壓故障保護。

本應用筆記給出了參考評估板和示例測試設置，演示了 ADM2795E的IEC EMC 認證性能：

•RS-485 A 和 B 總線引腳提供 4 級 EMC 認證保護

•IEC 61000-4-5 浪涌保護 (±4 kV)

•IEC 61000-4-4 EFT 保護 (±2 kV)

•IEC 61000-4-2 ESD 保護

•接觸放電：±8 kV

•氣隙放電：±15 kV

•IEC 61000-4-6 傳導射頻抗擾度 (10 V/m rms)

•經(jīng)認證的 IEC 61000 隔離柵抗擾度

•IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4 EFT、IEC 61000-4-5 浪涌、IEC 61000-4-6 傳導射頻抗擾度、IEC 61000-4-3 輻射抗擾度、IEC 61000-4-8 磁場抗擾度

圖 1.ADM2795E 的集成 IEC 61000-4-5 認證浪涌解決方案，為設計師顯著節(jié)省了 PCB 面積

IEC ESD、EFT 和浪涌保護

電氣和電子設備的設計必須滿足系統(tǒng)級 IEC 標準。以下是系統(tǒng)級 IEC 標準示例：

•過程控制和自動化：IEC 61131-2

•電機控制：IEC 61800-3

•樓宇自動化：IEC 60730-1

對于數(shù)據(jù)通信線路，這些系統(tǒng)級標準將規(guī)定以下三種類型的高壓瞬變的多個保護級別：

•IEC 61000-4-2 ESD

•IEC 61000-4-4 EFT

•IEC 61000-4-5 浪涌

所有這些規(guī)范都定義了測試方法，用以評估電子和電氣設備對指定現(xiàn)象的耐受性。下面概要說明各種測試。已根據(jù)這些 IEC EMC 規(guī)范全面測試了 ADM2795E，并認證其符合 IEC EMC。

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(nèi)產(chǎn)生高電流。IEC 61000-4-2 測試的主要目的是確定系統(tǒng)在工作過程中對系統(tǒng)外部 ESD 事件的抗擾度。IEC 61000-4-2 介紹了使用兩種耦合方法的測試，即接觸放電和氣隙放電。接觸放電要求放電槍與受測單元直接接觸。在氣隙放電測試期間，放電槍的充電電極朝向受測單元移動，直到氣隙上發(fā)生電弧放電。放電槍不與受測單元直接接觸。氣隙測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。氣隙放電測試方法能夠更好地反映實際 ESD 事件，但可重復性不及接觸放電測試。因此，接觸放電是首選測試方法。

測試期間，數(shù)據(jù)端口須經(jīng)受至少 10 次正極放電和 10 次負極放電，脈沖之間間隔最短為 1 秒。測試電壓的選擇取決于系統(tǒng)端環(huán)境。

圖 2 所示為 IEC 61000-4-2 規(guī)范所述的 8 kV 接觸放電電流波形。一些關鍵波形參數(shù)包括小于 1 ns 的上升時間和大約 60 ns 的脈沖寬度。

圖 2.IEC61000-4-2 ESD 波形 (8 kV)

圖 3 所示為針對接觸放電和氣隙放電測試 ADM2795E 評估板是否符合 IEC 61000-4-2 ESD 標準的示例測試設置。

圖 3. 針對 GND1 或 GND2 的 IEC 61000-4-2 ESD 測試

執(zhí)行測試時，IEC ESD 槍連接至本地總線 GND2。針對 GND2 測試時，ADM2795E 對 IEC 61000-4-2 事件具有魯棒性，通過了標準中認可的最高級別 (4 級)，其定義的接觸放電電壓和氣隙放電電壓分別為 ±8 kV 和 ±15 kV。

同樣，執(zhí)行測試時，IEC ESD 槍連接至邏輯側(cè) GND1。針對 GND1 的測試驗證了 ADM2795E 隔離柵的魯棒性。隔離柵可承受的 IEC 61000-4-2 ESD為±9 kV 的接觸放電電壓和 ±8 kV 的氣隙放電電壓。測試在收發(fā)器正常工作時執(zhí)行，ADM2795E 時鐘數(shù)據(jù)為 2.5 Mbps。表 1 和表 4 總結了經(jīng)認證的測試結果。

表 1.IEC 61000-4-2 認證測試結果

圖 4 所示為 IEC 61000-4-2 標準中的 8 kV 接觸放電電流波形與人體模型 (HBM) ESD 8 kV 波形的對比。從圖 4 中可以看出，兩個標準規(guī)定的波形形狀和峰值電流差異很大。與 IEC 61000-4-2 8 kV 脈沖關聯(lián)的峰值電流為 30 A，相應的 HBM ESD 峰值電流要小 5 倍多，為 5.33A。另一差異為初始電壓尖峰的上升時間，對于 IEC 61000-4-2 ESD，上升時間為 1 ns，相較于與 HBM ESD 波形關聯(lián)的 10 ns 時間要快得多。與 IEC ESD 波形關聯(lián)的功率值顯著大于 HBM ESD 波形的相應值。與規(guī)定了多個 HBM ESD 保護級別的其他 RS-485 收發(fā)器相比，具有 IEC 61000-4-2 ESD 額定值的 ADM2795E 更適用于在惡劣環(huán)境中工作。

圖 4.IEC 61000-4-2 ESD 波形 (8 kV) 與 HBM ESD 波形 (8 kV) 的對比

電快速瞬變

EFT 測試要求將數(shù)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(tài)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(yè)環(huán)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(chǎn)生的干擾。

圖 5 顯示 EFT 50 Ω 負載波形。EFT 波形用具有 50 Ω 輸出阻抗的發(fā)生器在 50 Ω 阻抗上產(chǎn)生的電壓來描述。輸出波形包括一個持續(xù)時間為 15 ms 的 5  kHz 高電壓瞬變脈沖群，其重復間隔為 300 ms。另外也可以產(chǎn)生持續(xù)時間為 750 µs 的 100 kHz 高頻脈沖群執(zhí)行 EFT 測試。每個脈沖具有 5 ns 的上升時間和 50 ns 的持續(xù)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。

圖 5.IEC 61000-4-4 EFT 50 Ω 負載波形

測試期間，這些 EFT 快速突發(fā)瞬變通過容性箝位器耦合到通信線路，如圖 6 所示。EFT 通過箝位器容性耦合到通信線路，而不是直接接觸。該箝位器同樣降低了 EFT 發(fā)生器的低輸出阻抗所引起的負載。箝位器和電纜之間的耦合電容取決于電纜直徑、屏蔽和絕緣。EFT 箝位器邊緣放置在距受測設備 (EUT)   EVAL-ADM2795EEBZ 評估板 50 cm 的位置。EFT 發(fā)生器設置為輸出 5 kHz 或 100 kHz 重復 EFT 突波。在 5 kHz 和 100 kHz 測試設置下測試 EVAL-ADM2795EEBZ。

EFT 箝位器連接至 GND2 時，EVAL-ADM2795EEBZ 對 IEC 61000-4-4 EFT 瞬變具有魯棒性，保護級別達到了標準中認可的最高級別 (4級)，其定義的電壓級別為 ±2 kV。IEC 61000-4-4 箝位器連接至 GND1 時，EVAL-ADM2795EEBZ 對 IEC 61000-4-4 EFT 瞬變具有魯棒性，承受的電壓可達 ±2 kV。測試在收發(fā)器正常工作時執(zhí)行，EVAL-ADM2795EEBZ 時鐘數(shù)據(jù)為 2.5 Mbps。無論是否將 RS-485 電纜屏蔽設置為連接至 GND2，表 2 中所示的結果均有效。EVAL-ADM2795EEBZ 可承受高達 ±2 kV 的 IEC 61000-4-4 EFT 而不損壞。表 2 和表 4 總結了經(jīng)認證的測試結果。

表 2.IEC 61000-4-4 認證測試結果

圖 6.針對 GND1 或 GND2 的 IEC 61000-4-4 EFT 測試

浪涌

浪涌瞬變由開關或雷電瞬變產(chǎn)生的過壓引起。開關瞬變的原因可以是電源系統(tǒng)切換、電源分配系統(tǒng)的負載變化或短路等各種系統(tǒng)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浪涌的抗擾度的波形、測試方法和測試級別。

波形規(guī)定為開路電壓和短路電流形式的波形發(fā)生器輸出。RS-485 端口主要使用 1.2/50 µs 波形，本部分將予以介紹。波形發(fā)生器的有效輸出阻抗為 2 Ω，因此浪涌瞬變相關的電流非常高。

圖 7.IEC 61000-4-5 浪涌 1.2 µs/50 μs 波形

圖 7 所示為 1.2 µs 和 50 μs 浪涌瞬變波形。ESD 和 EFT 擁有類似的上升時間、脈沖寬度和能量級別，但浪涌脈沖的上升時間為 1.25 µs，脈沖寬度為 50 µs。

此外，浪涌脈沖能量比ESD或EFT脈沖的能量高出三到四個數(shù)量級。因此，浪涌瞬變被認為是最嚴重的 EMC 瞬變。

IEC 61000-4-5 浪涌測試涉及使用耦合/去耦網(wǎng)絡 (CDN)，以便將浪涌瞬變耦合至 RS-485 A 和 B 總線引腳。半雙工 RS-485 器件的耦合網(wǎng)絡包含 A 和 B 線路上的 80 Ω 電阻以及耦合器件。電阻并聯(lián)總和為 40 Ω。耦合器件可以是電容、氣體放電器、箝位器件或可使 EUT 在應用測試期間正確工作的任何方法。浪涌測試期間，將 5 個正脈沖和 5 個負脈沖施加于數(shù)據(jù)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必須設置為正常工作狀態(tài)。圖 8 顯示浪涌測試的測試設置。測試在收發(fā)器正常工作時執(zhí)行，ADM2795E 時鐘數(shù)據(jù)為 2.5 Mbps。

IEC 浪涌發(fā)生器連接至 GND2 時，ADM2795E 對 IEC 61000-4-5 事件具有魯棒性，保護級別達到了標準中認可的最高級別 (4級)，其定義的峰值電壓為 ±4 kV。

IEC 浪涌發(fā)生器連接至 GND1 時，ADM2795E 對 IEC 61000-4-5 事件具有魯棒性，承受的浪涌電壓可達 4.0 kV。ADM2795E 可承受高達 4.0 kV 的 IEC 61000-4-5 浪涌電壓而不損壞，且數(shù)據(jù)傳輸中無位錯誤。針對 GND1 的測試驗證了 ADM2795E 隔離柵的魯棒性。表 3 和表 4 總結了經(jīng)認證的測試結果。

表 3.IEC 61000-4-5 認證測試結果

圖 8.針對 GND1 或 GND2 的 IEC 61000-4-5 浪涌測試

表 4 所示為達到了所述 IEC 系統(tǒng)級 EMC 標準的 ADM2795E 性能和分類。

性能與各個分類的對應如下所示：

•A 類：正常工作

•B 類：性能暫時喪失(位錯誤)

•C 類：系統(tǒng)需要復位

•D 類：功能永久喪失

表 4.ADM2795E 的 EMC 認證系統(tǒng)級分類匯總

IEC 61000-4-6 傳導抗擾度測試適用于在存在射頻場的環(huán)境中工作或連接至主電源或其他網(wǎng)絡(信號或控制線路)的產(chǎn)品。傳導干擾源為來自射頻發(fā)射器的電磁場，可作用于連接至已安裝設備的整個電纜。

在 IEC 61000-4-6 測試中，射頻電壓從 150 kHz 階躍至 80 MHz 或 100 MHz。射頻電壓由 1 kHz 正弦波進行 80% 的幅度調(diào)制 (AM)。針對 3 級 (10 V 的最高測試級別)測試第一個 EVAL-ADM2795EEBZ 評估板。對于 IEC 61000-4-6 測試，使用表 5 中詳述的箝位器施加應力信號。箝位器放置在兩個 ADM2795E 收發(fā)器之間的通信電纜上。對于所有測試，設備和 EUT 設置均為表 5 和圖 9 中所述的設置。

表 6 所示為 EUT通過了IEC 61000-4-6 3 級的測試結果。對于所有測試，IEC 61000-4-6 箝位器均放置在 EUT(EVAL-ADM2795EEBZ) 上，電纜屏蔽浮空或接地。第二個 EVAL-ADM2795EEBZ (輔助設備)放置在網(wǎng)絡上以端接通信總線。IEC 61000-4-6 發(fā)生器箝位器連接至 EVAL-ADM2795EEBZ EUT 的 GND1 或GND2 以為 IEC 61000-4-6 瞬變電流提供返回電流路徑。

已測試且認證 ADM2795E 評估板通過了 IEC 61000-4-6 傳導輻射抗擾度測試3級 (10 V/m rms，采用表 6 中所述的多種配置)。

表  5.IEC 61000-4-6 EUT 和設備

表 6.IEC 61000-4-6 認證測試結果

圖 9.針對 GND1 或 GND2 的 IEC 61000-4-6 傳導輻射抗擾度示例測試設置測試

IEC 61000-4-3 輻射射頻抗擾度

針對 IEC 61000-4-3 的測試可確保電子設備對常發(fā)生的輻射射頻場具有抗擾性。在工業(yè)應用中，發(fā)出常發(fā)生的意外射頻的一些設備包括電動機和電焊機。

在 IEC 61000-4-3 測試中，由屏蔽消聲室中的天線使用預校準場(掃頻從 80 MHz 至 2.7 GHz )生成輻射射頻場。射頻電壓在 1 kHz 下進行 80% 的幅度調(diào)制。EUT 的各個面均經(jīng)受垂直和水平極化。

圖 10 所示為 EVAL-ADM2795EEBZ 的測試設置，EUT 放置在電波暗室中，通過兩塊 9 V電池供電。EVAL-ADM2795EEBZ 板上調(diào)節(jié)器用于為 VDD1 和 VDD2 提供 5.0 V 電壓。測試期間，EVAL-ADM2795EEBZ 載有 120 Ω 的端接電阻。模式發(fā)生器為 ADM2795E TxD 引腳提供 2.5 Mbps 的數(shù)據(jù)輸入。ADM2795E 接收器輸出 (RxD) 通過示波器進行監(jiān)控。

選擇的通過標準為在存在 IEC 61000-4-3 輻射射頻場時，RxD 信號的位寬變化小于 10%。

已測試且認證 EVAL-ADM2795EEBZ 評估板通過了 IEC 61000-4-3 輻射射頻抗擾度測試 4 級 (30 V/m)。4 級為 IEC 61000-4-3 標準中的最高級別。

圖 10.IEC 61000-4-3 輻射抗擾度測試

IEC 61000-4-8 磁場抗擾度

針對 IEC 61000-4-8 的測試可確保電子設備對常發(fā)生的磁場具有抗擾性。典型工業(yè)通信應用中的磁場源為接近設備的電源線電流或 50 Hz 或 60 Hz 變壓器。

在 IEC 61000-4-8 測試中，通過測試電流發(fā)生器驅(qū)動大型線圈(感應線圈)產(chǎn)生定義磁場強度的受控磁場。EUT 放置在感應線圈中心，使其經(jīng)受磁場。

圖 11 所示為 EVAL-ADM2795EEBZ 的測試設置，EUT 放置在電波暗室中，通過兩塊 9 V 電池供電。EVAL-ADM2795EEBZ 板上調(diào)節(jié)器用于為 VDD1 和 VDD2 提供 5.0 V 電壓。測試期間，EVAL-ADM2795EEBZ 載有 120 Ω 的端接電阻。模式發(fā)生器為 ADM2795E TxD 引腳提供 2.5 Mbps 的數(shù)據(jù)輸入。ADM2795E 接收器輸出 (RxD) 通過示波器進行監(jiān)控。選擇的通過標準為在存在 IEC 61000-4-8 磁場時，RxD 信號的位寬變化小于 10%。

已測試且認證 EVAL-ADM2795EEBZ 評估板通過了 IEC 61000-4-8 磁場抗擾度測試 5 級 (100 A/m)。5 級為 IEC 61000-4-8 標準中規(guī)定的最高級別。

圖 11.IEC 61000-4-8 磁場抗擾度測試

過壓故障保護

ADM2795E 是首款在 3 V 至 5.5 V 的 VCC工 作范圍內(nèi)提供故障保護的 RS-485 收發(fā)器，且無需仔細檢查 RS-485 收發(fā)器的邏輯引腳狀態(tài) (TxD 輸入、DE 和)。收發(fā)器在 ±25 V 的整個擴展共模工作范圍內(nèi)也受故障保護。

ADM2795E RS-485 驅(qū)動器輸出和接收器輸入受 –42 V 至 +42 V AC/DC 峰值范圍內(nèi)的任何電壓的短路保護。故障狀態(tài)中的最大電流為 ±250 mA。RS-485 驅(qū)動器包括折返限流電路，該電路可減小電壓超出收發(fā)器的 ±25 V 共模范圍限制時的驅(qū)動器電流。折返特性引起的這一電流減少可實現(xiàn)更好的功耗和熱效應管理。

±42 V 接線錯誤保護

ADM2795E 在未安裝 RS-485 端接或總線偏置電阻的總線上運行時將受到高壓接線錯誤事件保護。典型的接線錯誤事件為高壓 24 V AC/DC 電源直接連接至 RS-485 總線引腳連接器。ADM2795E 可在 RS-485 總線引腳上承受相對于 GND2 峰值高達 ±42 V 的接線錯誤故障而不損壞。在 ADM2795E RS-485 A 和 B 總線引腳上確保接線錯誤保護，且在連接器和總線引腳進行熱插拔時確保該保護。表 7 和表 8 總結了 ADM2795E 提供的高壓接線錯誤保護。通過 ±42 V DC 和 ±24 V ± 20% rms(50 Hz 或 60 Hz)，采用熱插拔和 DC 斜坡測試波形測試 ADM2795E。在電源供電和不供電的情況下執(zhí)行測試，RS-485 TxD 輸入、DE 和使能引腳采用多種不同的狀態(tài)。RS-485 總線引腳可承受引腳 A 到地、引腳 B 到地以及引腳 A 和引腳 B 之間的高壓接線錯誤。

表 7. 接線錯誤保護表縮略語

表 8. 高壓接線錯誤保護

1 這是引腳 A 和 GND2、引腳 B 和 GND2 或引腳 A 和引腳 B 之間的 AC/DC 接線錯誤峰值電壓。

2 VA 指引腳 A 上的電壓，VB 指引腳 B 上的電壓。

RS-485 網(wǎng)絡偏置和端接

對于安裝了偏置和端接電阻的 RS-485 A 和 B 總線引腳上的高壓接線錯誤，偏置網(wǎng)絡到 ADM2795E 電源 VDD2 引腳之間具有電流路徑。為了在這種情況下保護 ADM2795E，器件配有集成 VDD2 保護電路。

ADM2795E 為一款具有故障保護的 RS-485 器件，同時也為其電源引腳提供保護。該故障保護意味著通過 R1 上拉電阻的電流路徑不會對 VDD2 引腳造成損壞，但如果不采用適當?shù)念~定功率，上拉電阻本身可能損壞(見圖 12)。R1 上拉電阻功率額定值取決于接線錯誤電壓和電阻值。

如果圖 12 的總線設置中 A 和 B 引腳之間存在接線錯誤，則 ADM2795E 會受保護，但如果不采用適當?shù)念~定功率，則 RT 總線端接電阻可能損壞。RT 端接電阻功率額定值取決于接線錯誤電壓和電阻值。

圖 12. 具有總線端接和偏置電阻的 ADM2795E 的高壓接線錯誤保護