EMC COMPLIANT RS-485收發(fā)器保護電路解析

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路使用ADM3485E收發(fā)器，是經(jīng)過驗證并測試的電磁兼容性(EMC)解決方案，可為使用廣泛的RS-485通信端口提供三重保護。每個解決方案都經(jīng)過測試和特性表征，確保收發(fā)器和保護電路元件之間的動態(tài)交互能夠協(xié)同工作，保護它們免遭靜電放電(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標準定義。本電路使用ADM3485E提供經(jīng)過驗證的RS-485接口ESD、EFT和電涌(常見于惡劣工作環(huán)境)保護。

圖1. 三個EMC兼容ADM3485E保護電路(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總線標準是使用最廣泛的物理層總線設(shè)計標準之一。RS-485提供多個系統(tǒng)之間的差分數(shù)據(jù)傳輸，這些系統(tǒng)通常相距很遠。RS-485的應(yīng)用包括：過程控制網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)自動化、遠程終端、樓宇自動化(例如，暖通空調(diào)(HVAC)、保安系統(tǒng))、電機控制和運動控制。

在這些實際的系統(tǒng)中，雷擊、電源波動、感應(yīng)開關(guān)和靜電放電會通過產(chǎn)生較大瞬變電壓對通信端口造成損害。設(shè)計人員必須確保設(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的問題并不簡單，且不易呈現(xiàn)，因此必須在產(chǎn)品開發(fā)周期的初級階段即將其考慮在內(nèi)。正確的解決方案和保護電路必須作為整體設(shè)計的一部分，而非留到最后一刻。保護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具有類似的上升時間、脈沖寬度和能耗水平。電涌瞬變具有更長的上升時間和脈沖寬度;其幅度最終可能比ESD或EFT瞬變電能的幅度高3至4個數(shù)量級。由于ESD和EFT瞬變的相似性，它們的電路保護設(shè)計也相近。但是因為電涌瞬變的電能水平較高，因此必須將它們區(qū)別對待。

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。不同的解決方案提供高達6 kV的更高電涌保護等級。電路保護等級列于表1中。

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

有關(guān)EVAL-CN0313-SDPZ板的完整設(shè)計支持包，包括原理圖、布局文件和物料清單，請參閱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，適合用于多點傳輸線路的半雙工通信。它的數(shù)據(jù)速率高達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DI引腳發(fā)送出去，通過RO引腳接收。驅(qū)動器和接收器的輸出都可使能或禁用，即通過改變DE和RE引腳上的相應(yīng)邏輯電平，進入高阻抗狀態(tài)。

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

DE和RE邏輯輸入通過LK1至LK6設(shè)置。對每個ADM3485E而言，LK2、LK4和LK6與DE有關(guān);LK1、LK3和LK5與RE有關(guān)。對每條鏈路而言，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)開發(fā)平臺(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)。保護電路用于保護這些總線引腳。

在第一個保護電路中(TVS，如圖1所示)，使用了一個元件，即Bourns公司的CDSOT23-SM712。它是EVAL-CN0313-SDPZ上的瞬變電壓抑制器(TVS)陣列。它由兩個雙向TVS二極管組成，經(jīng)過優(yōu)化后保護RS-485系統(tǒng)，使其受到盡可能少的過應(yīng)力，同時支持全范圍RS-485信號和共模電壓偏移。在正常工作條件下，TVS具有很高的對地阻抗。發(fā)生過壓情況時，TVS進入雪崩擊穿模式，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。

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

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

在第二個方案中(圖1中的TVS/TBU/TISP)，CDSOT23-SM712 TVS提供第二級保護，而Bourns公司的TISP4240M3BJR-S提供第一級保護。TISP4240M3BJR-S是一款完全集成式電涌保護器(TISP)。TISP是一款固態(tài)晶閘管。當超過其預(yù)定保護電壓時，TISP提供低阻抗接地路徑，將大部分瞬變能量從ADM3485E轉(zhuǎn)移開。

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

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

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

ADM3485E有一個120 Ω引腳與總線引腳相連。

電路評估與測試

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

圖3. 發(fā)送和接收測試設(shè)置

根據(jù)IEC 61000-4-2，ESD測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試端口直接相連。采用氣隙放電法時，放電槍的放電電極向測試端口移動，直到產(chǎn)生放電并在整個氣隙上形成一道弧。向每條總線線路的螺絲端子連接器放電。

對于IEC 61000-4-4 EFT測試，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80 Ω電阻針對兩個端口測試。圖4顯示電涌測試的測試設(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