在實際工業(yè)和儀器儀表（I&I）應(yīng)用中，RS-485接口鏈路需要在惡劣電磁環(huán)境下工作。雷擊、靜電放電和其他電磁現(xiàn)象引起的大瞬變電壓可能損壞通信端口。為了確保這些數(shù)據(jù)端口能夠在終安裝環(huán)境中正常工作，它們必須符合某些電磁兼容性（EMC ）法規(guī)。

　　這些要求包括三個主要瞬變抗擾度標(biāo)準(zhǔn)：靜電放電、電快速瞬變和電涌。

　　許多EMC問題并不簡單或明顯，因此必須在產(chǎn)生設(shè)計開始時予以考慮。如果把這些問題留到設(shè)計周期后期去解決，可能導(dǎo)致工程預(yù)算和計劃超限。

　　本文介紹各主要瞬變類型，并針對RS-485通信端口的三種不同成本/保護級別，提出并演示三種不同的EMC兼容解決方案。

　　ADI公司和Bourns, Inc.攜手合作，共同開發(fā)了業(yè)界EMC兼容RS-485接口設(shè)計工具，提供針對IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4 EFT和IEC 61000-4-5電涌的四級保護，從而擴展面向系統(tǒng)的解決方案組合。它根據(jù)所需保護級別和可用預(yù)算為設(shè)計人員提供相應(yīng)的設(shè)計選項。借助這些設(shè)計工具，設(shè)計人員可在設(shè)計周期之初考慮EMC問題，從而降低該問題導(dǎo)致的項目延誤風(fēng)險。

　　RS-485標(biāo)準(zhǔn)

　　工業(yè)與儀器儀表（I&I）應(yīng)用常常需要在距離很遠的多個系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)。RS-485電氣標(biāo)準(zhǔn)是I&I應(yīng)用中使用廣泛的物理層規(guī)范之一，I&I應(yīng)用包括：工業(yè)自動化、過程控制、電機控制和運動控制、遠程終端、樓宇自動化（暖通空調(diào)HVAC等）、安保系統(tǒng)和再生能源等。

　　使RS-485成為I&I通信應(yīng)用理想之選的一些關(guān)鍵特性如下：

　　●長距離鏈路--長4000英尺

　　●可在一對絞線電纜上雙向通信

　　●差分傳輸可提高共模噪聲抗擾度，減少噪聲輻射

　　●可將多個驅(qū)動器和接收器連接至同一總線

　　●寬共模范圍（-7 V至+12 V）允許驅(qū)動器與接收器之間存在地電位差異

　　●TIA/EIA-485-A允許數(shù)據(jù)速率達到數(shù)十Mbps

　　TIA/EIA-485-A描述RS-485接口的物理層，通常與Profibus、Interbus、Modbus或BACnet等更高層協(xié)議配合使用，能夠在相對較長的距離內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。

　　但在實際應(yīng)用中，雷擊、功率感應(yīng)、直接接觸、電源波動、感應(yīng)開關(guān)和靜電放電可能產(chǎn)生較大瞬變電壓，對RS-485收發(fā)器 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，各個政府機構(gòu)和監(jiān)管機構(gòu)實施了EMC法規(guī)。如果設(shè)計符合這些法規(guī)，可以讓終用戶確信它們在惡劣環(huán)境下也能正常工作。

　　電磁兼容性

　　電磁環(huán)境由輻射和傳導(dǎo)兩種能量組成，因此EMC包括兩個方面：發(fā)射和耐受性。EMC是指電氣系統(tǒng)在目標(biāo)電磁環(huán)境下保持良好性能且不會向該環(huán)境引入大量電磁干擾的能力。本文討論如何提高RS-485端口的EMC耐受性以防范三種主要EMC瞬變。

　　國際電工委員會（IEC）是致力于制定和發(fā)布所有電氣、電子和相關(guān)技術(shù)國際標(biāo)準(zhǔn)的組織。自1996年以來，向歐盟出售或在歐盟范圍內(nèi)出售的所有電子設(shè)備都必須達到IEC 61000-4-x規(guī)范定義的EMC級別。

　　IEC 61000規(guī)范定義了一組EMC抗擾度要求，適用于在住宅、商業(yè)和輕工業(yè)環(huán)境中使用的電氣和電子設(shè)備。這組規(guī)范包括以下三類高電壓瞬變，電子設(shè)計人員必須確保數(shù)據(jù)通信線路不受它們損害：

　　●IEC 61000-4-2 靜電放電（ESD）

　　●IEC 61000-4-4 電快速瞬變（EFT）

　　●IEC 61000-4-5 電涌耐受性

　　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(shè)備對指定現(xiàn)象的耐受性。下面概要說明各種測試。

　　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(yīng)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描述了兩種耦合測試方法，即所謂接觸放電和空氣放電。接觸放電要求放電槍與受測單元直接接觸。在空氣放電測試期間，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?？諝夥烹姕y試的結(jié)果和可重復(fù)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。這種方法能夠更好地反映實際ESD事件，但可重復(fù)性較差。因此，接觸放電是測試方法。

　　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(fù)極放電，脈沖之間間隔1秒。測試電壓的選擇取決于系統(tǒng)端環(huán)境。規(guī)定的測試為4級，要求接觸放電電壓為±8 kV,空氣放電電壓為±15 kV.

　　圖1顯示了規(guī)范所述的8 kV接觸放電電流波形。一些關(guān)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。這說明脈沖總能量約為數(shù)十mJ.

　　圖1. IEC 61000-4-2 ESD波形（8 kV）

　　電快速瞬變

　　電快速瞬變測試要求將數(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(guān)電路的瞬態(tài)干擾，這種干擾可能包括繼電器和開關(guān)觸點抖動，以及切換感性或容性負(fù)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2顯示EFT 50 Ω負(fù)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。輸出波形由15 ms的2.5 kHz至5 kHz突發(fā)高壓瞬變脈沖組成，以300 ms間隔重復(fù)。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。單個脈沖的總能量典型值為4 mJ.施加于數(shù)據(jù)端口的電壓可以高達2 kV.

　　圖2. IEC 61000-4-4 EFT 50 Ω負(fù)載波形

　　這些快速突發(fā)瞬變通過電容耦合鉗耦合到通信線路。EFT通過耦合鉗容性耦合到通信線路，而不是直接接觸。這同樣降低了EFT發(fā)生器的低輸出阻抗所引起的負(fù)載。耦合鉗和電纜之間的耦合電容取決于電纜直徑、屏蔽和絕緣。

　　電涌瞬變

　　電涌瞬變由開關(guān)或雷電瞬變產(chǎn)生的過壓引起。開關(guān)瞬變的原因可以是電源系統(tǒng)切換、電源分配系統(tǒng)的負(fù)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電涌的抗擾度的波形、測試方法和測試級別。

　　波形定義為開路電壓和短路電流下波形發(fā)生器的輸出。標(biāo)準(zhǔn)描述了兩種波形。10/700 μs組合波形用于測試要連接到對稱通信線路的端口，例如電話交換線。1.2/50 μs組合波形發(fā)生器用于所有其他情形，特別是短距離信號連接。RS-485端口主要使用1.2/50 μs波形，本部分將予以說明。波形發(fā)生器的有效輸出阻抗為2 Ω，因此電涌瞬變相關(guān)的電流非常高。

　　圖3顯示1.2/50 μs電涌瞬變波形。ESD和EFT具有相似的上升時間、脈沖寬度和能量水平，但電涌脈沖的上升時間為1.25 μs,脈沖寬度為50 μs.此外，電涌脈沖能量可以達到90 J,比ESD或EFT脈沖的能量高出三到四個數(shù)量級。因此，電涌瞬變被認(rèn)為是嚴(yán)重的EMC瞬變。ESD與EFT相似，因此電路保護的設(shè)計可以相似，但電涌則不然，其能量非常高，因此必須以不同方式處理。這是開發(fā)保護措施以改善數(shù)據(jù)端口對所有三種瞬變的抗擾度，同時保持高性價比的過程中會遇到的主要問題之一。

　　電阻將電涌瞬變耦合到通信線路。圖4顯示半雙工RS-485器件的耦合網(wǎng)絡(luò)。并聯(lián)電阻總和為40 Ω。對于半雙工器件，每個電阻為80 Ω。

　　電涌測試期間，將5個正脈沖和5個負(fù)脈沖施加于數(shù)據(jù)端口，各脈沖間隔長時間為1分鐘。標(biāo)準(zhǔn)要求，器件在測試期間設(shè)置為正常工作狀態(tài)。

　　圖3. IEC 61000-4-5電涌1.2/50 μs波形

　　圖4. 半雙工RS-485器件的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)

　　通過/失敗標(biāo)準(zhǔn)

　　將瞬變施加于受測系統(tǒng)時，測試結(jié)果按照通過/失敗標(biāo)準(zhǔn)分為四類。下面是通過/失敗標(biāo)準(zhǔn)的列表，并舉例說明各標(biāo)準(zhǔn)與RS-485收發(fā)器的關(guān)系。

　　●正常工作；施加瞬變期間或之后不會發(fā)生位錯誤。

　　●功能暫時喪失或性能暫時降低，不需要操作員干預(yù)；施加瞬變期間或之后的有間內(nèi)可能發(fā)生位錯誤。

　　●功能暫時喪失或性能暫時降低，需要操作員干預(yù)；可能發(fā)生閂鎖事件，但上電復(fù)位后可消除，對器件的功能和性能無影響。

　　●功能喪失，設(shè)備損壞；器件未通過測試。

　　標(biāo)準(zhǔn)A是希望達到的，標(biāo)準(zhǔn)D是不可接受的。損壞會導(dǎo)致系統(tǒng)停機和維修/更換成本。對于任務(wù)關(guān)鍵型系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)B和標(biāo)準(zhǔn)C也是不可接受的，因為系統(tǒng)在瞬變事件期間必須能無錯誤運行。

　　瞬變保護

　　設(shè)計瞬變保護電路時，設(shè)計人員必須考慮以下主要事項：

　　1.該電路必須防止或限制瞬變引起的損壞，并允許系統(tǒng)恢復(fù)正常工作，性能影響極小。

　　2.保護方案應(yīng)當(dāng)非?？煽浚阋蕴幚硐到y(tǒng)在實際應(yīng)用經(jīng)受到的瞬變類型和電壓水平。

　　3.瞬變時長是一個重要因素。對于長時間瞬變，熱效應(yīng)可能會導(dǎo)致某些保護方案失效。

　　4.正常條件下，保護電路不得干擾系統(tǒng)運行。

　　5.如果保護電路因為過應(yīng)力而失效，它應(yīng)以保護系統(tǒng)的方式失效。

　　圖5顯示一個典型保護方案，其特征是具有兩重保護：主保護和次級保護。主保護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。它旨在將瞬變分流至地，從而消除大部分能量。

　　次級保護的目的是保護系統(tǒng)各個部件，使其免受主保護允許通過的任何瞬態(tài)電壓和電流的損壞。它經(jīng)過優(yōu)化，確保能夠抵御殘余瞬變影響，同時允許系統(tǒng)的敏感部分正常工作。主保護和次級保護的設(shè)計必須與系統(tǒng)I/O協(xié)同工作，從而地降低對受保護電路的壓力，這點很重要。主保護器件與次級保護器件之間一般有一個協(xié)調(diào)元件，如電阻或非線性過流保護器件等，用以確保二者協(xié)同應(yīng)對瞬變。

　　圖5. 保護方案框圖

　　RS-485瞬變抑制網(wǎng)絡(luò)

　　就特性而言，EMC瞬態(tài)事件在時間上會有變化，因此保護元件必須具有動態(tài)性能，而且其動態(tài)特性需要與受保護器件的輸入/輸出極相匹配，這樣才能實現(xiàn)成功的EMC設(shè)計。器件數(shù)據(jù)手冊一般只包含直流數(shù)據(jù)，由于動態(tài)擊穿和I/V特性可能與直流值存在很大差異，因此這些數(shù)據(jù)沒有太多價值。必須進行精心設(shè)計并確定特性，了解受保護器件的輸入/輸出級的動態(tài)性能，并且使用保護元件，才能確保電路達到EMC標(biāo)準(zhǔn)。

　　圖6所示電路顯示了三種不同的完整的EMC兼容解決方案。每個解決方案都經(jīng)過獨立外部EMC兼容性測試公司的，各方案使用精選的Bourns外部電路保護元件，針對ADI公司具有增強ESD保護性能的ADM3485E 3.3 V RS-485收發(fā)器提供不同的成本/保護級別。所用的Bourns外部電路保護元件包括瞬態(tài)電壓抑制器（CDSOT23-SM712）、瞬態(tài)閉鎖單元（TBU-CA065-200-WH）、晶閘管電涌保護器（TISP4240M3BJR-S）和氣體放電管（2038-15-SM-RPLF）。

　　每種解決方案都經(jīng)過特性測試，確保保護元件的動態(tài)I/V性能可以保護ADM3485E RS-485總線引腳的動態(tài)I/V特性，使得ADM3485E輸入/輸出級與外部保護元件協(xié)同防范瞬變事件。

　　圖6. 三個EMC兼容ADM3485E電路

　　保護方案1

　　前面說過，EFT和ESD瞬變具有相似的能量水平，而電涌波形的能量水平則高出三到四個數(shù)量級。針對ESD和EFT的保護可通過相似方式實現(xiàn)，但針對高電涌級別的保護解決方案則更為復(fù)雜。個解決方案提供四級ESD和EFT保護及二級電涌保護。本文描述的所有電涌測試都使用1.2/50 μs波形。

　　此解決方案使用Bourns公司的CDSOT23-SM712瞬變電壓抑制器 <https://www.eet-china.com/ART_8800678021_628868_NP_6cfb1c9e.HTM>（TVS）陣列，它包括兩個雙向TVS二極管，非常適合保護RS-485系統(tǒng)，過應(yīng)力極小，同時支持RS-485收發(fā)器上的全范圍RS-485信號和共模偏移（-7 V至+12 V）。表1顯示針對ESD、EFT和電涌瞬變的電壓保護級別。

　　表1. 解決方案1保護級別

　　TVS是基于硅的器件。在正常工作條件下，TVS具有很高的對地阻抗；理想情況下它是開路。保護方法是將瞬態(tài)導(dǎo)致的過壓箝位到電壓限值。這是通過PN結(jié)的低阻抗雪崩擊穿實現(xiàn)的。當(dāng)產(chǎn)生大于TVS的擊穿電壓的瞬態(tài)電壓時，TVS會將瞬態(tài)箝位到小于保護器件的擊穿電壓的預(yù)定水平。瞬變立即受到箝位（< 1 ns），瞬態(tài)電流從受保護器件轉(zhuǎn)移至地。

　　重要的是要確保TVS的擊穿電壓在受保護引腳的正常工作范圍之外。CDSOT23-SM712的獨有特性是具有+13.3 V和-7.5 V的非對稱擊穿電壓，與+12 V至-7 V的收發(fā)器共模范圍相匹配，從而提供保護，同時減小對ADM3485E RS-485收發(fā)器的過壓應(yīng)力。

　　圖7. CDSOT23-SM712 I/V特性（8 kV）

　　保護方案2

　　上一解決方案可提供四級ESD和EFT保護，但只能提供二級電涌保護。為了提高電涌保護級別，保護電路變得更加復(fù)雜。以下保護方案可以提供四級電涌保護。

　　CDSOT23-SM712專門針對RS-485數(shù)據(jù)端口設(shè)計。以下兩個電路基于CDSOT23-SM712構(gòu)建，提供更別的電路保護。CDSOT23-SM712提供次級保護，而TISP4240M3BJR-S提供主保護。主從保護器件與過流保護之間的協(xié)調(diào)通過TBU-CA065-200-WH完成。表2顯示使用此保護電路的ESD、EFT和電涌瞬變保護電壓級別。

　　表2. 解決方案2保護級別（8 kV）

　　當(dāng)瞬變能量施加于保護電路時，TVS將會擊穿，通過提供低阻抗的接地路徑來保護器件。由于電壓和電流較高，還必須通過限制通過的電流來保護TVS.這可采用瞬態(tài)閉鎖單元（TBU）實現(xiàn)，它是一個主動高速過流保護元件。此解決方案中的TBU是Bourns TBU-CA065-200-WH.

　　TBU可阻擋電流，而不是將其分流至地。作為串聯(lián)元件，它會對通過器件的電流做出反應(yīng)，而不是對接口兩端的電壓做出反應(yīng)。TBU是一個高速過流保護元件，具有預(yù)設(shè)電流限值和耐高壓能力。當(dāng)發(fā)生過流，TVS由于瞬態(tài)事件擊穿時，TBU中的電流將升至器件設(shè)置的限流水平。此時，TBU會在不足1 μs時間內(nèi)將受保護電路與電涌斷開。在瞬變的剩余時間內(nèi)，TBU保持在受保護阻隔狀態(tài)，只有極小的電流（<1 mA）通過受保護電路。在正常工作條件下，TBU具有低阻抗，因此它對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。在瞬態(tài)事件后，TBU自動復(fù)位至低阻抗?fàn)顟B(tài)，允許系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。

　　與所有過流保護技術(shù)相同，TBU具有擊穿電壓，因此主保護器件必須箝位電壓，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態(tài)晶閘管等技術(shù)實現(xiàn)，例如完全集成電涌保護器（TISP）。TISP充當(dāng)主保護器件。當(dāng)超過其預(yù)定義保護電壓時，它提供瞬態(tài)開路低阻抗接地路徑，從而將大部分瞬變能量從系統(tǒng)和其他保護器件轉(zhuǎn)移開。

　　TISP的非線性電壓-電流特性通過轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的電流來限制過壓。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)之間的切換動作而導(dǎo)致的。圖8顯示了器件的電壓-電流特性。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)致了箝位動作。在限制過壓的過程中，受保護電路短暫暴露在高壓下，因而在切換到低壓保護導(dǎo)通狀態(tài)之前，TISP器件處在擊穿區(qū)域。TBU將保護下游電路，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，TISP器件自動復(fù)位，以便恢復(fù)正常系統(tǒng)運行。

　　如上所述，所有三個器件與系統(tǒng)I/O協(xié)同工作來保護系統(tǒng)免受高電壓和電流瞬變影響。

　　圖8. TISP切換特性和電壓限制波形

　　保護方案3

　　常常需要四級以上的電涌保護。此保護方案可保護RS-485端口免受6 kV電涌瞬變的影響。它的工作方式類似于保護解決方案2,但此電路采用氣體放電管（GDT）取代TISP來保護TBU,進而保護次級保護器件TVS.GDT將針對高于前一種保護機制中所述TISP的過壓和過流應(yīng)力提供保護。此保護方案的GDT是Bourns公司的2038-15-SM-RPLF.TISP額定電流為220 A,而GDT每個導(dǎo)體的額定電流為5 kA.表3顯示此設(shè)計提供的保護級別。

　　表3. 解決方案3保護級別（8 kV）

　　GDT主要用作主保護器件，提供低阻抗接地路徑以防止過壓瞬變。當(dāng)瞬態(tài)電壓達到GDT火花放電電壓時，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，提供瞬態(tài)開路電流接地路徑，將瞬態(tài)電流從受保護器件上轉(zhuǎn)移開。

　　圖9顯示GDT的典型特性。當(dāng)GDT兩端的電壓增大時，放電管中的氣體由于產(chǎn)生的電荷開始電離。這稱為輝光區(qū)。在此區(qū)域中，增加的電流將產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，將GDT轉(zhuǎn)換為虛擬短路，允許電流通過器件。在短路事件中，器件兩端產(chǎn)生的電壓稱為弧電壓。輝光區(qū)和電弧區(qū)之間的轉(zhuǎn)換時間主要取決于器件的物理特性。

　　圖9. GDT特性波形

　　結(jié)論

　　本文說明了處理瞬變抗擾度的三種IEC標(biāo)準(zhǔn)。在實際工業(yè)應(yīng)用中，RS-485通信端口遇到這些瞬變時可能遭到損壞。EMC問題如果是在產(chǎn)品設(shè)計周期后期才發(fā)現(xiàn)，可能需要重新設(shè)計，導(dǎo)致計劃延遲，代價巨大。因此，EMC問題應(yīng)在設(shè)計周期開始時就予以考慮，否則可能后悔莫及，無法實現(xiàn)所需的EMC性能。

　　在設(shè)計面向RS-485網(wǎng)絡(luò)的EMC兼容解決方案時，主要難題是讓外部保護元件的動態(tài)性能與RS-485器件輸入/輸出結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能相匹配。

　　本文介紹了適用于RS-485通信端口的三種不同EMC兼容解決方案，設(shè)計人員可按照所需的保護級別選擇保護方案。EVAL-CN0313-SDPZ是業(yè)界EMC兼容RS-485客戶設(shè)計工具，針對ESD、EFT和電涌提供四級保護。表4總結(jié)了不同保護方案提供的保護級別。雖然這些設(shè)計工具不能取代所需的系統(tǒng)級嚴(yán)格評估和資質(zhì)，但能夠讓設(shè)計人員在設(shè)計周期早期降低由于EMC問題導(dǎo)致的項目延誤風(fēng)險，從而縮短產(chǎn)品設(shè)計時間和上市時間。

　　表4. 三種ADM3485E EMC兼容解決方案