EMC COMPLIANT RS-485收發(fā)器保護(hù)電路解析

電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1所示電路使用ADM3485E收發(fā)器，是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證并測(cè)試的電磁兼容性(EMC)解決方案，可為使用廣泛的RS-485通信端口提供三重保護(hù)。每個(gè)解決方案都經(jīng)過(guò)測(cè)試和特性表征，確保收發(fā)器和保護(hù)電路元件之間的動(dòng)態(tài)交互能夠協(xié)同工作，保護(hù)它們免遭靜電放電(ESD)、電快速瞬變(EFT)和電涌的破壞——分別由IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-4和IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)定義。本電路使用ADM3485E提供經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的RS-485接口ESD、EFT和電涌(常見(jiàn)于惡劣工作環(huán)境)保護(hù)。

圖1. 三個(gè)EMC兼容ADM3485E保護(hù)電路(原理示意圖，未顯示所有連接)

電路描述

在工業(yè)和儀器儀表應(yīng)用中，RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)是使用最廣泛的物理層總線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之一。RS-485提供多個(gè)系統(tǒng)之間的差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，這些系統(tǒng)通常相距很遠(yuǎn)。RS-485的應(yīng)用包括：過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)自動(dòng)化、遠(yuǎn)程終端、樓宇自動(dòng)化(例如，暖通空調(diào)(HVAC)、保安系統(tǒng))、電機(jī)控制和運(yùn)動(dòng)控制。

在這些實(shí)際的系統(tǒng)中，雷擊、電源波動(dòng)、感應(yīng)開(kāi)關(guān)和靜電放電會(huì)通過(guò)產(chǎn)生較大瞬變電壓對(duì)通信端口造成損害。設(shè)計(jì)人員必須確保設(shè)備不僅能在理想條件下工作，而且能夠在實(shí)際可能遇到的惡劣環(huán)境下正常工作。為了確保這些設(shè)計(jì)能夠在電氣條件惡劣的環(huán)境下工作，必須符合EMC規(guī)范。

許多EMC的問(wèn)題并不簡(jiǎn)單，且不易呈現(xiàn)，因此必須在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的初級(jí)階段即將其考慮在內(nèi)。正確的解決方案和保護(hù)電路必須作為整體設(shè)計(jì)的一部分，而非留到最后一刻。保護(hù)電路必須集成特定收發(fā)器生產(chǎn)商的輸入和輸出結(jié)構(gòu)，作為設(shè)計(jì)的組成部分。

IEC 61000規(guī)范定義了一組EMC耐受性要求。在這組規(guī)范中，設(shè)計(jì)人員必須考慮數(shù)據(jù)通信線路的下列三類高壓瞬變：

· 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

ESD和EFT具有類似的上升時(shí)間、脈沖寬度和能耗水平。電涌瞬變具有更長(zhǎng)的上升時(shí)間和脈沖寬度;其幅度最終可能比ESD或EFT瞬變電能的幅度高3至4個(gè)數(shù)量級(jí)。由于ESD和EFT瞬變的相似性，它們的電路保護(hù)設(shè)計(jì)也相近。但是因?yàn)殡娪克沧兊碾娔芩捷^高，因此必須將它們區(qū)別對(duì)待。

每款解決方案都向數(shù)據(jù)端口提供ESD電壓(8 kV接觸放電和15 kV氣隙放電)以及2 kV的EFT電壓保護(hù)。不同的解決方案提供高達(dá)6 kV的更高電涌保護(hù)等級(jí)。電路保護(hù)等級(jí)列于表1中。

圖2顯示EVAL-CN0313-SDPZ板的實(shí)物照片。電路板上有三個(gè)ADM3485E器件，每個(gè)器件用于一種保護(hù)方案。每種保護(hù)方案都提供本文描述的ESD和EFT保護(hù)，并提升電涌保護(hù)等級(jí)。

有關(guān)EVAL-CN0313-SDPZ板的完整設(shè)計(jì)支持包，包括原理圖、布局文件和物料清單，請(qǐng)參閱www.analog.com/CN0313-DesignSupport。

圖2. EVAL-CN0313-SDPZ板

ADM3485E是一款3.3 V低功耗數(shù)據(jù)收發(fā)器，適合用于多點(diǎn)傳輸線路的半雙工通信。它的數(shù)據(jù)速率高達(dá)12 Mbps，總線引腳(A和B)上的共模電壓范圍為−7 V至+12 V。數(shù)據(jù)通過(guò)DI引腳發(fā)送出去，通過(guò)RO引腳接收。驅(qū)動(dòng)器和接收器的輸出都可使能或禁用，即通過(guò)改變DE和RE引腳上的相應(yīng)邏輯電平，進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)。

電源和接地通過(guò)螺旋電纜連接器互相連接(VCC和GND)。該連接器供全部三個(gè)ADM3485E器件使用。

DE和RE邏輯輸入通過(guò)LK1至LK6設(shè)置。對(duì)每個(gè)ADM3485E而言，LK2、LK4和LK6與DE有關(guān);LK1、LK3和LK5與RE有關(guān)。對(duì)每條鏈路而言，位置A連接邏輯引腳至VCC;位置B連接邏輯引腳至GND;位置C連接邏輯引腳至四引腳側(cè)面螺旋電纜連接器。輸入DI和輸出RO引腳直接連接四引腳螺旋連接器。

EVAL-CN0313-SDPZ還兼容ADI公司的ezLINX™板(EZLINX-IIIDE-EBZ)，以及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)(EVAL-SDP-CB1Z)。連接器J8將SDP或ezLINX板上的UART和GPIO接口與ADM3485E器件的邏輯I/O相連。I/O連接和跳線配置如表2所示。

ADM3485E發(fā)送器和接收器共用同樣的差分總線引腳(A和B)。保護(hù)電路用于保護(hù)這些總線引腳。

在第一個(gè)保護(hù)電路中(TVS，如圖1所示)，使用了一個(gè)元件，即Bourns公司的CDSOT23-SM712。它是EVAL-CN0313-SDPZ上的瞬變電壓抑制器(TVS)陣列。它由兩個(gè)雙向TVS二極管組成，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后保護(hù)RS-485系統(tǒng)，使其受到盡可能少的過(guò)應(yīng)力，同時(shí)支持全范圍RS-485信號(hào)和共模電壓偏移。在正常工作條件下，TVS具有很高的對(duì)地阻抗。發(fā)生過(guò)壓情況時(shí)，TVS進(jìn)入雪崩擊穿模式，并將引腳電壓箝位于安全的預(yù)定電平。然后，它將瞬變電流從ADM3485E轉(zhuǎn)移到地。

此保護(hù)方案提供高達(dá)8 kV(接觸放電)和15 kV(氣隙放電)ESD保護(hù)、2 kV EFT保護(hù)和1 kV電涌保護(hù)。

如CDSOT23-SM712數(shù)據(jù)手冊(cè)中所述，該器件專為RS-485設(shè)備而設(shè)計(jì)。以下兩個(gè)保護(hù)方案應(yīng)用于CDSOT23-SM712，提供針對(duì)電涌的更高級(jí)電路保護(hù)。

在第二個(gè)方案中(圖1中的TVS/TBU/TISP)，CDSOT23-SM712 TVS提供第二級(jí)保護(hù)，而B(niǎo)ourns公司的TISP4240M3BJR-S提供第一級(jí)保護(hù)。TISP4240M3BJR-S是一款完全集成式電涌保護(hù)器(TISP)。TISP是一款固態(tài)晶閘管。當(dāng)超過(guò)其預(yù)定保護(hù)電壓時(shí)，TISP提供低阻抗接地路徑，將大部分瞬變能量從ADM3485E轉(zhuǎn)移開(kāi)。

Bourns公司的TBU-CA065-200-WH瞬態(tài)閉鎖單元(TBU)是一款非線性過(guò)流保護(hù)器件，位于第一級(jí)和第二級(jí)保護(hù)器件之間，確保協(xié)調(diào)工作。TBU是一款過(guò)流閉鎖器件，在預(yù)定電流下開(kāi)路。在阻隔模式下，它具有很高的阻抗以阻隔瞬變能量。此保護(hù)方案提供高達(dá)8 kV(接觸放電)和15 kV(氣隙放電)ESD保護(hù)、2 kV EFT保護(hù)和4 kV電涌保護(hù)。

第三級(jí)保護(hù)方案(圖1中的TVS/TBU/ GDT)工作情況與保護(hù)方案2相似。該方案使用氣體放電管(GDT)而非TISP。GDT針對(duì)比前述TISP保護(hù)方案更高的過(guò)壓和過(guò)流提供保護(hù)。GDT是氣體放電等離子器件，提供低阻抗接地路徑以防止過(guò)壓瞬變。所選GDT為Bourns公司的2038-15-SM-RPLF。

該第三級(jí)保護(hù)方案提供高達(dá)8 kV(接觸放電)和15 kV(氣隙放電)ESD保護(hù)、2 kV EFT保護(hù)和6 kV電涌保護(hù)。

ADM3485E有一個(gè)120 Ω引腳與總線引腳相連。

電路評(píng)估與測(cè)試

為EVAL-CN0313-SDPZ板施加3.3 V至VCC電源。電壓可通過(guò)每個(gè)ADM3485E附近的VCC測(cè)試點(diǎn)檢查。發(fā)送和接收路徑可通過(guò)連接其中一個(gè)ADM3485E電路進(jìn)行測(cè)試，如圖3所示。信號(hào)或模式發(fā)生器可連接到DI。驅(qū)動(dòng)器的輸出可通過(guò)A和B測(cè)試點(diǎn)監(jiān)控，而接收器的輸出可通過(guò)RO測(cè)試點(diǎn)監(jiān)控。跳線配置如圖3所示。該測(cè)試設(shè)置可應(yīng)用于全部三個(gè)電路。

圖3. 發(fā)送和接收測(cè)試設(shè)置

根據(jù)IEC 61000-4-2，ESD測(cè)試需使用兩種耦合方法，即接觸放電和氣隙放電。接觸放電意味著放電槍與測(cè)試端口直接相連。采用氣隙放電法時(shí)，放電槍的放電電極向測(cè)試端口移動(dòng)，直到產(chǎn)生放電并在整個(gè)氣隙上形成一道弧。向每條總線線路的螺絲端子連接器放電。

對(duì)于IEC 61000-4-4 EFT測(cè)試，使用容性耦合箝位將EFT突發(fā)脈沖耦合至連接總線線路的電纜。箝位的耦合電容值取決于電纜直徑、電纜材料和電纜的屏蔽情況。

IEC 61000-4-5電涌測(cè)試表示需要使用耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)(CDN)，以便將電涌瞬變耦合至總線引腳。根據(jù)規(guī)格要求，它必須使用兩個(gè)80 Ω電阻針對(duì)兩個(gè)端口測(cè)試。圖4顯示電涌測(cè)試的測(cè)試設(shè)置。將CDN連接至A和B引腳，以及將電涌發(fā)生器的共模端連接至4個(gè)引腳螺旋連接器的接地。

圖4. IEC 61000-4-5電涌CDN輸入ADM3485E的設(shè)置