基于ADM3485E的RS - 485通信端口EMC保護(hù)電路設(shè)計(jì)

在工業(yè)和儀器儀表應(yīng)用中，RS - 485總線標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)用最廣泛的物理層總線設(shè)計(jì)之一。它能在多個(gè)系統(tǒng)之間進(jìn)行差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，而且往往適用于很長(zhǎng)的距離。不過，在實(shí)際系統(tǒng)中，雷擊、電源波動(dòng)、電感開關(guān)和靜電放電等情況會(huì)產(chǎn)生大的瞬態(tài)電壓，對(duì)通信端口造成損害。因此，設(shè)計(jì)符合電磁兼容性（EMC）法規(guī)的保護(hù)電路至關(guān)重要。今天就來和大家分享一下基于ADM3485E的RS - 485通信端口EMC保護(hù)電路設(shè)計(jì)。

文件下載：EVAL-CN0313-SDPZ.pdf

1. 電路概述

Circuits from the Lab?參考電路由ADI工程師設(shè)計(jì)和構(gòu)建，經(jīng)過測(cè)試和驗(yàn)證，能快速輕松地進(jìn)行系統(tǒng)集成，幫助解決模擬、混合信號(hào)和RF設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。CN - 0313電路展示了使用ADM3485E收發(fā)器為流行的RS - 485通信端口提供三種保護(hù)級(jí)別的EMC兼容解決方案。

2. RS - 485應(yīng)用場(chǎng)景與挑戰(zhàn)

RS - 485在過程控制網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)自動(dòng)化、遠(yuǎn)程終端、樓宇自動(dòng)化（如HVAC和安全系統(tǒng)）、電機(jī)控制和運(yùn)動(dòng)控制等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。但在實(shí)際環(huán)境中，各種干擾會(huì)產(chǎn)生大的瞬態(tài)電壓，損害通信端口。所以，設(shè)計(jì)必須滿足EMC法規(guī)，以確保設(shè)備在惡劣電氣環(huán)境中正常工作。

3. EMC法規(guī)與瞬態(tài)類型

IEC 61000規(guī)范定義了EMC抗擾度要求，對(duì)于數(shù)據(jù)通信線路，主要關(guān)注三種高壓瞬態(tài)：

• IEC 61000 - 4 - 2靜電放電（ESD）
• IEC 61000 - 4 - 4電氣快速瞬變（EFT）
• IEC 61000 - 4 - 5浪涌抗擾度

ESD和EFT的上升時(shí)間、脈沖寬度和能量水平相似，而浪涌瞬態(tài)的上升時(shí)間和脈沖寬度更長(zhǎng)，能量比ESD或EFT瞬態(tài)大3 - 4個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，ESD和EFT的電路保護(hù)設(shè)計(jì)可以相似，但浪涌瞬態(tài)需要不同的處理方式。

4. 保護(hù)電路方案

4.1 保護(hù)方案1：TVS

此方案使用Bourns CDSOT23 - SM712瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）陣列。在正常工作條件下，TVS對(duì)地面具有高阻抗；當(dāng)出現(xiàn)過電壓時(shí)，TVS進(jìn)入雪崩擊穿模式，將引腳電壓鉗位到安全的預(yù)定水平，并將瞬態(tài)電流引向地面。該方案可提供高達(dá)8 kV接觸和15 kV空氣放電ESD、2 kV EFT和1 kV浪涌保護(hù)。

4.2 保護(hù)方案2：TVS/TBU/TISP

CDSOT23 - SM712 TVS提供二次保護(hù)，Bourns TISP4240M3BJR - S提供主要保護(hù)。TISP是固態(tài)晶閘管，當(dāng)超過預(yù)定電壓時(shí)，它提供低阻抗接地路徑，將大部分瞬態(tài)能量從ADM3485E轉(zhuǎn)移。Bourns TBU - CA065 - 200 - WH瞬態(tài)阻斷單元（TBU）是在主要和次要保護(hù)設(shè)備之間的非線性過流保護(hù)設(shè)備，確保協(xié)調(diào)工作。該方案可提供高達(dá)8 kV接觸和15 kV空氣放電ESD、2 kV EFT和4 kV浪涌保護(hù)。

4.3 保護(hù)方案3：TVS/TBU/GDT

此方案與方案2類似，但使用氣體放電管（GDT）代替TISP。GDT能保護(hù)更高的過電壓和過電流，所選的GDT是Bourns 2038 - 15 - SM - RPLF。該方案可提供高達(dá)8 kV接觸和15 kV空氣放電ESD、2 kV EFT和6 kV浪涌保護(hù)。

5. 電路評(píng)估與測(cè)試

5.1 供電與基本測(cè)試

給EVAL - CN0313 - SDPZ板的VCC施加3.3 V電壓，可以在每個(gè)ADM3485E附近的VCC測(cè)試點(diǎn)檢查電壓。通過連接其中一個(gè)ADM3485E電路，將信號(hào)或模式發(fā)生器連接到DI，可測(cè)試發(fā)送和接收路徑?？梢栽贏和B測(cè)試點(diǎn)監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)器輸出，在RO測(cè)試點(diǎn)監(jiān)測(cè)接收器輸出。

5.2 ESD測(cè)試

根據(jù)IEC 61000 - 4 - 2，ESD測(cè)試采用接觸放電和空氣間隙放電兩種耦合方法。將放電槍直接連接到被測(cè)端口進(jìn)行接觸放電；將放電槍的帶電電極移向被測(cè)端口，直到發(fā)生放電形成電弧進(jìn)行空氣放電。對(duì)每個(gè)總線線路的螺絲端子連接器施加放電。

5.3 EFT測(cè)試

對(duì)于IEC 61000 - 4 - 4 EFT測(cè)試，使用電容耦合夾將EFT脈沖耦合到連接到總線線路的電纜上。耦合夾的耦合電容取決于電纜直徑、電纜材料和電纜屏蔽。

5.4 浪涌測(cè)試

IEC 61000 - 4 - 5浪涌測(cè)試使用耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)（CDN）將浪涌瞬態(tài)耦合到總線引腳。根據(jù)規(guī)范，雙端口測(cè)試必須使用兩個(gè)80 Ω電阻。將CDN連接到A和B端子，將浪涌發(fā)生器的公共端連接到四端子螺絲連接器的接地端。

所有保護(hù)電路都在實(shí)驗(yàn)室中與ADM3485E進(jìn)行了特性測(cè)試，并由外部獨(dú)立的EMC合規(guī)測(cè)試機(jī)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證。

6. 總結(jié)

在設(shè)計(jì)RS - 485通信端口時(shí)，考慮EMC保護(hù)至關(guān)重要。通過選擇合適的保護(hù)方案，可以有效提高系統(tǒng)在惡劣電氣環(huán)境中的可靠性。大家在實(shí)際設(shè)計(jì)中，要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和要求，選擇最適合的保護(hù)電路。同時(shí)，建議參考文中提供的相關(guān)資料，深入了解各個(gè)器件的特性和使用方法。你在RS - 485設(shè)計(jì)中遇到過哪些EMC問題呢？又是如何解決的？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。

參考資料

• CN - 0313 Design Support Package: http://www.analog.com/CN0313 - DesignSupport
• ezLINX? iCoupler? Isolated Interface Development Environment, ezLINX Board Quick Start Guide
• Certified EMC Compliant RS - 485 Interface Design Tool
• Marais, Hein. Application Note AN - 960. RS - 485/RS - 422 Circuit Implementation Guide. Analog Devices, Inc.
• 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文檔：Electromagnetic Compatibility (EMC) Part 4 - 2、Part 4 - 4、Part 4 - 5等
• 各器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)：ADM3485E、CDSOT23 - SM712、TISP4240M3BJR - S、TBU - CA065 - 200 - WH、2038 - 15 - SM - RPLF等