原來(lái)全是套路！三個(gè)經(jīng)典的RS-485端口EMC防護(hù)方案詳解（下）

上一篇文章中，世健公司為大家?guī)?lái)了RS-485端口EMC方案相應(yīng)的規(guī)范要求。這實(shí)際上就是保護(hù)電路設(shè)計(jì)需要達(dá)到的目標(biāo)。為了達(dá)成這樣的目標(biāo)，自有其設(shè)計(jì)原則：

針對(duì)瞬變提供保護(hù)，主要有兩種方式：過(guò)流保護(hù)用于限制峰值電流;過(guò)壓保護(hù)用于限制峰值電壓。典型的保護(hù)方案設(shè)計(jì)包括主保護(hù)和次級(jí)保護(hù)。主保護(hù)可將大部分瞬變能量從系統(tǒng)轉(zhuǎn)移開，通常位于系統(tǒng)和環(huán)境之間的接口，它能夠?qū)⑺沧冝D(zhuǎn)移到大地，從而移走絕大部分的能量。次級(jí)保護(hù)的目的是保護(hù)系統(tǒng)各個(gè)部件，使其免受主保護(hù)允許通過(guò)的任何瞬變電壓和電流的損壞。次級(jí)保護(hù)通常更側(cè)重于面向受保護(hù)系統(tǒng)的具體部件。它經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可以確保針對(duì)上述殘余瞬變提供保護(hù)，同時(shí)還允許系統(tǒng)的這些敏感部件正常工作。Excelpoint世健技術(shù)支持部副總監(jiān)Angus Zhao說(shuō)：“這兩種方式必須確保主設(shè)計(jì)和次級(jí)設(shè)計(jì)能夠一起配合系統(tǒng)輸入/輸出，以便最大限度地降低對(duì)受保護(hù)電路造成的應(yīng)力。同時(shí)在設(shè)計(jì)中，一般在主保護(hù)器件和次級(jí)保護(hù)器件之間會(huì)有一個(gè)協(xié)調(diào)元件，例如電阻或非線性過(guò)流保護(hù)器件，以確保能夠進(jìn)行協(xié)調(diào)。”

圖1：傳統(tǒng)的EMC防護(hù)解決方案架構(gòu)

按照以上的規(guī)范要求和設(shè)計(jì)原則，下面我們提供三種不同級(jí)別的EMC防護(hù)解決方案，這些方案都已經(jīng)經(jīng)過(guò)了第三方獨(dú)立EMC兼容性測(cè)試的認(rèn)證。方案中用到的元器件包括：

ADM3485EARZ 3.3 V RS-485收發(fā)器(ADI)

TVS瞬變電壓抑制器CDSOT23-SM712 (Bourns)

TBU瞬變閉鎖單元TBU-CA065-200-WH (Bourns)

TIST晶閘管浪涌保護(hù)器TISP4240M3BJR-S (Bourns)

GDT氣體放電管2038-15-SM-RPLF (Bourns)

方案一

EFT和ESD瞬變的能量級(jí)別類似，浪涌波形的能量級(jí)別則高出三到四個(gè)數(shù)量級(jí)。針對(duì)ESD和EFT的保護(hù)可通過(guò)相似的方式完成，針對(duì)高級(jí)別浪涌的保護(hù)解決方案則更為復(fù)雜。第一個(gè)解決方案提供四級(jí)ESD和EFT和二級(jí)浪涌保護(hù)。

此解決方案使用Bourns公司的CDSOT23-SM712 TVS陣列，它包括兩個(gè)雙向TVS二極管。TVS是基于硅的器件。在正常工作條件下，TVS具有很高的對(duì)地阻抗;理想情況下它是開路的。保護(hù)方法是將瞬變導(dǎo)致的過(guò)壓箝位到電壓限值。這是通PN結(jié)的低阻抗雪崩擊穿實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)產(chǎn)生大于TVS的擊穿電壓的瞬變電壓時(shí)， TVS會(huì)將瞬變箝位到小于保護(hù)器件的擊穿電壓的預(yù)定水平，只需< 1 ns，瞬變電流即可從受保護(hù)器件轉(zhuǎn)移至地。

重要的是要確保TVS的擊穿電壓在受保護(hù)引腳的正常工作范圍之外。CDSOT23-SM712的獨(dú)有特性是具有+13.3 V和–7.5 V的非對(duì)稱擊穿電壓，與RS-485芯片ADM3485E的+12 V至–7 V的收發(fā)器共模范圍相匹配，從而提供最佳保護(hù)，同時(shí)最大限度地減小對(duì)RS-485收發(fā)器的過(guò)壓應(yīng)力。

圖2：CDSOT23-SM712 TVS特性曲線

圖3：基于TVS陣列的保護(hù)方案

方案二

如果要提高浪涌保護(hù)級(jí)別，保護(hù)電路變將得更加復(fù)雜，在方案二中，我們將浪涌保護(hù)提高到四級(jí)。

在這個(gè)方案中，由TVS(CDSOT23-SM712)提供次級(jí)保護(hù)， TISP(TISP4240M3BJR-S)則提供主保護(hù)，主保護(hù)器件和次級(jí)保護(hù)器件之間的協(xié)調(diào)以及過(guò)流保護(hù)是利用Bourns專利技術(shù)的過(guò)流保護(hù)器件TBU(TBU-CA065-200-WH)實(shí)現(xiàn)的。

圖4：TBU的特性曲線

當(dāng)瞬變能量施加于保護(hù)電路時(shí)，TVS將會(huì)擊穿，通過(guò)提供低阻抗的接地路徑來(lái)保護(hù)器件。由于電壓和電流較高，還必須通過(guò)限制通過(guò)的電流來(lái)保護(hù)TVS。這可采用TBU，TBU是一個(gè)主動(dòng)高速過(guò)流保護(hù)元件可阻擋電流，而不是將其分流至地。作為串聯(lián)元件，它會(huì)對(duì)通過(guò)器件的電流做出反應(yīng)，而不是對(duì)接口兩端的電壓做出反應(yīng)。TBU是一個(gè)高速過(guò)流保護(hù)元件，具有預(yù)設(shè)電流限值和耐高壓能力。當(dāng)發(fā)生過(guò)流，TVS由于瞬變事件擊穿時(shí)，TBU中的電流將升至器件設(shè)置的限流水平。此時(shí)， TBU會(huì)在小于1 μs時(shí)間內(nèi)將受保護(hù)電路與浪涌斷開。在瞬變的剩余時(shí)間內(nèi)，TBU保持在受保護(hù)阻隔狀態(tài)，通過(guò)受保護(hù)電路的電流非常小(<1 mA)。在正常工作條件下，TBU 具有低阻抗，因此它對(duì)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。在瞬變事件后，TBU自動(dòng)重置到低阻抗?fàn)顟B(tài)，讓系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。

圖5：TBU與PTC(保險(xiǎn)絲Fuse)之間的差異

與所有過(guò)流保護(hù)技術(shù)相同，TBU具有最大擊穿電壓，因此主保護(hù)器件必須箝位電壓，并將瞬變能量重新引導(dǎo)至地。 這通常使用氣體放電管或固體放電管(晶閘管)TISP等技術(shù)實(shí)現(xiàn)，例如TISP。TISP充當(dāng)主保護(hù)器件，當(dāng)超過(guò)其預(yù)定義保護(hù)電壓時(shí)，它提供瞬變開路低阻抗接地路徑，從而將大部分瞬變能量從系統(tǒng)和其他保護(hù)器件轉(zhuǎn)移開。

TISP的非線性電壓-電流特性通過(guò)轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的電流來(lái)限制過(guò)壓。作為晶閘管，TISP具有非連續(xù)電壓-電流特性，它是由于高電壓區(qū)和低電壓區(qū)之間的切換動(dòng)作而導(dǎo)致的。在TISP器件切換到低電壓狀態(tài)之前，它具有低阻抗接地路徑以分流瞬變能量，雪崩擊穿區(qū)域則導(dǎo)致了箝位動(dòng)作。

圖6：TISP的特性曲線

在限制過(guò)壓的過(guò)程中，受保護(hù)電路短暫暴露在高壓下，因而在切換到低壓保護(hù)打開狀態(tài)之前，TISP器件處在擊穿區(qū)域。TBU將保護(hù)后端電路，防止由于這種高電壓導(dǎo)致的高電流造成損壞。當(dāng)轉(zhuǎn)移電流降低到臨界值以下時(shí)，TISP器件自動(dòng)重置，以便恢復(fù)正常系統(tǒng)運(yùn)行。

所有上述三個(gè)元件協(xié)同工作，與系統(tǒng)輸入/輸出配 合，一起針對(duì)高電壓大電流瞬變?yōu)橄到y(tǒng)提供系統(tǒng)級(jí)保護(hù)。

圖7：TVS、TBU和TISP協(xié)同工作，提供更高級(jí)別保護(hù)

方案三

如果保護(hù)方案需要應(yīng)對(duì)最高6 kV的浪涌瞬變，則需要對(duì)方案做些調(diào)整。新方案的工作方式類似于保護(hù)方案二;但此電路采用氣體放電管(GDT) 取代TISP來(lái)保護(hù)TBU，從而保護(hù)次級(jí)保護(hù)器件TVS。相對(duì)于TISP，GDT采用氣體放電原理，可針對(duì)更大的過(guò)壓和過(guò)流應(yīng)力提供保護(hù)。TISP的額定電流是220 A，GDT的額定電流則是5 kA(按單位導(dǎo)體計(jì)算)。

圖8：GDT的特性曲線

GDT主要用作主保護(hù)器件，提供低阻抗接地路徑以防止過(guò)壓瞬變。當(dāng)瞬變電壓達(dá)到GDT火花放電電壓時(shí)，GDT將從高阻抗關(guān)閉狀態(tài)切換到電弧模式。在電弧模式下，GDT成為虛擬短路，提供瞬變開路電流接地泄放路徑，將瞬變沖擊電流從受保護(hù)器件上轉(zhuǎn)移開。

圖9：用TVS、TBU、GDT協(xié)同工作，可以耐受更大的過(guò)壓和過(guò)流應(yīng)力

Excelpoint世健公司技術(shù)支持部副總監(jiān)Angus Zhao總結(jié)到：RS-485端口的EMC方案自有套路，了解了保護(hù)需要遵循的規(guī)范，熟悉電路保護(hù)器件的特性，做出合規(guī)的設(shè)計(jì)并不難。

圖10：三個(gè)RS485端口的EMC方案保護(hù)級(jí)別比較

最后，世健公司還介紹了兩個(gè)經(jīng)典實(shí)用的RS-485端口保護(hù)方案，可以通過(guò)IEC6100-4-2 ESD, IEC61000-4-4 EFT, IEC61000-4-5 Surge 4級(jí)以上EMS安規(guī)測(cè)試。

方案一：采用3極GDT+TBU+TVS架構(gòu)方案

方案二：采用2極GDT+TBU+TVS架構(gòu)方案