RS485 端口的 EMC 防雷保护方案

　　在当今工业、电力、自动化及仪器仪表等领域，RS - 485 总线标准凭借其稳定可靠的特性，成为了使用为广泛的物理层总线设计标准之一。然而，这些设备常常需要在恶劣的电磁环境中运行，为确保 RS485 端口的数据通信正常，其电磁兼容性（EMC）设计显得尤为重要。本文将结合 ADI 的 RS - 485 芯片以及 Bourns 在端口 EMC 防护方面的器件，深入剖析 RS485 端口的 EMC 防雷保护方案。
　　RS485 的 EMC 设计三个要素
　　在 RS - 485 端口的 EMC 设计中，静电放电（ESD）、电快速瞬变（EFT）和浪涌（Surge）是需要重点考虑的三个因素。国际电工委员会（IEC）规范明确了一组 EMC 抗扰度要求，具体包括 IEC 61000 - 4 - 2 静电放电、IEC 61000 - 4 - 4 电快速瞬变和 IEC 61000 - 4 - 5 浪涌抗扰度这三种高电压瞬变类型。国内也有与之等同的标准，如在电力及输配电应用中，常采用 GB/T17626.2 ESD、GB/T17626.4 EFT、GB/T17626.5 Surge 等对应标准规范。
　　静电放电（ESD）
　　静电放电是指两个电位不同的带电体之间，因近接触或电场传导而突然产生静电电荷传输的现象。其特点是在短时间内产生较大电流。IEC 61000 - 4 - 2 测试的主要目的是确定系统在工作过程中对外部 ESD 事件的抗扰度。该标准规定了不同环境状况下的电压测试级别，共分为 4 个级别，1 级轻微，4 级严重。1 级和 2 级适用于拥有防静电材料的受控环境中安装的产品，而 3 级和 4 级则适用于更容易发生高电压 ESD 事件的恶劣环境。
　　电快速瞬变（脉冲群）
　　电快速瞬变（EFT）测试主要是将大量极快的瞬变脉冲耦合到信号线上，模拟系统与外部开关电路关联的瞬变干扰，这类干扰通常以容性方式耦合至通信端口。EFT 测试涵盖了继电器和开关触点抖动，以及感性或容性负载切换产生的瞬变，这些现象在工业环境中十分常见。IEC 61000 - 4 - 4 规定了不同环境状况下的电压测试级别，同样分为 4 级，不同级别对应不同的测试电压和脉冲重复速率。其中，1 级表示保护措施很好的环境，2 级表示受保护的环境，3 级表示典型的工业环境，4 级表示恶劣的工业环境。
　　浪涌（Surge）
　　浪涌通常由开关操作造成的过压情况或雷击引起。开关瞬变可能源于电力系统切换、配电系统中的负载变化或各种系统故障；雷击瞬变则可能是附近雷击导致电路中注入较大电流和电压。IEC 61000 - 4 - 5 定义了用于评估电子电气设备在浪涌现象影响下抗扰度的波形、测试方法和测试级别。浪涌的能量级别比 ESD 或 EFT 脉冲能量级别高出三到四个数量级，因此是 EMC 瞬变规范中严重的一种。由于 ESD 和 EFT 特性相似，其电路保护设计也较为相近，但浪涌能量大，需要采取不同的处理方式。
　　Excelpoint 公司技术支持部副总监 Angus Zhao 表示：“开发 EMC 保护电路，需根据实际应用场景，满足上述三种瞬变的抗扰度规范要求，同时兼顾成本效益。虽然看似复杂，但有其自身的原则和套路。”
　　RS485 的 EMC 设计方案
　　针对瞬变提供保护主要有过流保护和过压保护两种方式。过流保护用于限制峰值电流，过压保护用于限制峰值电压。典型的保护方案设计包括主保护和次级保护。主保护可将大部分瞬变能量从系统转移开，通常位于系统和环境之间的接口，能将瞬变转移到大地，移走绝大部分能量；次级保护则旨在保护系统各个部件，使其免受主保护允许通过的瞬变电压和电流的损坏，更侧重于受保护系统的具体部件，经过优化可确保针对残余瞬变提供保护，同时保证系统敏感部件正常工作。Angus Zhao 强调：“这两种方式必须确保主设计和次级设计与系统输入 / 输出配合，以限度降低对受保护电路的应力。设计中，主保护器件和次级保护器件之间通常会有一个协调元件，如电阻或非线性过流保护器件，以实现协调。”
　　按照规范要求和设计原则，以下提供三种不同级别的 EMC 防护解决方案，这些方案均已通过第三方独立 EMC 兼容性测试。方案中使用的元器件包括：TVS 瞬变电压抑制器 CDSOT23 - SM712（Bourns）、TBU 瞬变闭锁单元 TBU - CA065 - 200 - WH（Bourns）、TIST 晶闸管浪涌保护器 TISP4240M3BJR - S（Bourns）、GDT 气体放电管 2038 - 15 - SM - RPLF（Bourns）。
　　方案一：四级 ESD 和 EFT 和二级浪涌保护
　　EFT 和 ESD 瞬变的能量级别相近，而浪涌波形的能量级别高出三到四个数量级。针对 ESD 和 EFT 的保护方式相似，别浪涌保护解决方案则更为复杂。此方案使用 Bourns 公司的 CDSOT23 - SM712 TVS 阵列，它包含两个双向 TVS 二极管。TVS 是基于硅的器件，正常工作时具有很高的对地阻抗，理想情况下为开路。其保护原理是通过 PN 结的低阻抗雪崩击穿，将瞬变导致的过压箝位到电压限值。当瞬变电压大于 TVS 的击穿电压时，TVS 会在小于 1 ns 的时间内将瞬变箝位到预定水平，并将瞬变电流从受保护器件转移至地。CDSOT23 - SM712 具有 + 13.3 V 和–7.5 V 的非对称击穿电压，与 RS - 485 芯片 ADM3485E 的 + 12 V 至–7 V 的收发器共模范围相匹配，可提供保护，同时限度减小对 RS - 485 收发器的过压应力。
　　方案二：四级 ESD 和 EFT 和四级浪涌保护
　　若要提高浪涌保护级别，保护电路会变得更复杂。此方案中，TVS（CDSOT23 - SM712）提供次级保护，TISP（TISP4240M3BJR - S）提供主保护，主保护器件和次级保护器件之间的协调以及过流保护通过 Bourns 技术的过流保护器件 TBU（TBU - CA065 - 200 - WH）实现。
　　当瞬变能量施加于保护电路时，TVS 会击穿，通过提供低阻抗的接地路径保护器件。由于电压和电流较高，还需通过 TBU 限制通过的电流。TBU 是主动高速过流保护元件，可阻挡电流而非将其分流至地。作为串联元件，它对通过器件的电流做出反应，而非接口两端的电压。TBU 具有预设电流限值和耐高压能力，当发生过流，TVS 因瞬变事件击穿时，TBU 中的电流将升至限流水平，在小于 1 μs 的时间内将受保护电路与浪涌断开。在瞬变剩余时间内，TBU 保持受保护阻隔状态，通过受保护电路的电流非常小（< 1 mA）。正常工作时，TBU 阻抗低，对正常电路工作影响小；阻隔模式下，阻抗高以阻隔瞬变能量。瞬变事件后，TBU 自动重置到低阻抗状态，使系统恢复正常工作。
　　与所有过流保护技术一样，TBU 有击穿电压，因此主保护器件需箝位电压，并将瞬变能量重新引导至地，通常使用气体放电管或固体放电管（晶闸管）TISP 等技术实现。TISP 充当主保护器件，超过预定义保护电压时，提供瞬变开路低阻抗接地路径，将大部分瞬变能量从系统和其他保护器件转移开。TISP 的非线性电压 - 电流特性通过转移电流限制过压。作为晶闸管，TISP 具有非连续电压 - 电流特性，由高电压区和低电压区之间的切换动作导致。在 TISP 器件切换到低电压状态之前，它具有低阻抗接地路径以分流瞬变能量，雪崩击穿区域导致箝位动作。
　　在限制过压过程中，受保护电路会短暂暴露在高压下，TISP 器件在切换到低压保护打开状态之前处于击穿区域，TBU 可保护后端电路，防止高电压导致的高电流损坏。当转移电流降低到临界值以下时，TISP 器件自动重置，恢复正常系统运行。这三个元件协同工作，与系统输入 / 输出配合，为系统提供系统级保护。
　　方案三：四级 ESD 和 EFT 和四级浪涌保护
　　若保护方案需应对 6 kV 的浪涌瞬变，需对方案进行调整。新方案工作方式与方案二类似，但采用气体放电管（GDT）取代 TISP 来保护 TBU，进而保护次级保护器件 TVS。相对于 TISP，GDT 采用气体放电原理，可针对更大的过压和过流应力提供保护。TISP 的额定电流是 220A，GDT 的额定电流则是 5 kA（按单位导体计算）。
　　GDT 主要用作主保护器件，提供低阻抗接地路径以防止过压瞬变。当瞬变电压达到 GDT 火花放电电压时，GDT 将从高阻抗关闭状态切换到电弧模式。在电弧模式下，GDT 成为虚拟短路，提供瞬变开路电流接地泄放路径，将瞬变冲击电流从受保护器件上转移开。
　　Excelpoint 公司技术支持部副总监 Angus Zhao 总结道：“RS - 485 端口的 EMC 方案有章可循，了解保护需遵循的规范，熟悉电路保护器件的特性，做出合规设计并不难。”
　　，介绍两个经典实用的 RS - 485 端口保护方案，它们可通过 IEC6100 - 4 - 2 ESD、IEC61000 - 4 - 4 EFT、IEC61000 - 4 - 5 Surge 4 级以上 EMS 安规测试。方案一采用 3 极 GDT + TBU + TVS 架构方案；方案二采用 2 极 GDT + TBU + TVS 架构方案。