三个经典的RS-485端口EMC防护方案详解

在实际的工业、电力、自动化及仪器仪表应用中，RS-485总线标准是使用最广泛的物理层总线设计标准之一，由于其会在恶劣电磁环境下工作，为了确保这些数据端口能够在最终安装环境中正常工作，它们必须符合相关的电磁兼容性（EMC）法规。在本文中，世健公司结合优势的代理线ADI（ RS-485芯片）、Bourns（在端口EMC防护方面的器件），从原理分析到实测来为大家带来详细的RS485的端口防护分析。

在RS-485端口的EMC设计中，我们需要重点考虑三个因素：静电放电（ESD）、电快速瞬变（EFT）和浪涌（Surge）。国际电工委员会（IEC）规范定义了一组EMC抗扰度要求，这组规范包括以下三种类型的高电压瞬变，设计人员需要确保数据通信线路不受这些瞬变的损害。这三种类型分别是：

· IEC 61000-4-2静电放电（ESD）

· IEC 61000-4-4电快速瞬变（EFT）

· IEC 61000-4-5浪涌抗扰度（Surge）

Excelpoint世健公司技术支持部副总监Angus Zhao说：“RS-485端口的保护方案就是要设法去满足ESD、EFT、Surge这三种规范的要求。所以想要设计出合规的RS-485端口EMC方案，首先就要透彻了解这三个规范。”国内针对IEC标准也有同样的等同标准可以参考，比如在电力及输配电应用中，很多采用了GB/T17626.2 ESD， GB/T17626.4 EFT， GB/T17626.5 Surge的对应标准规范，本文以IEC标准为例说明。

静电放电

静电放电（ESD）是指两个电位不同的带电体之间因为近接触或电场的传导而突然产生静电电荷的传输。其特性是在较短的时间内有较大的电流。IEC 61000-4-2测试的主要目，就是确定系统在工作过程中对系统外部ESD事件的抗扰度。IEC 61000-4-2规定了不同环境状况下的电压测试级别，共分4个级别。1级最轻微，4级最严重。1级和2级适合拥有防静电材料的 受控环境中安装的产品。3级和4级适合情况更严重的环境中安装的产品，这类环境下更常发生带有较高电压的ESD事件。

图1:ESD 特性曲线

图2:IEC 61000-4-2 ESD测试级别和安装类别

电快速瞬变（脉冲群）

电快速瞬变（EFT）测试的是，将大量极快的瞬变脉冲耦合到信号线上，系统与外部开关电路关联的瞬变干扰，这类电路能够以容性方式耦合至通信端口。EFT的缠上包括继电器和开关触点抖动，或者因为感性或容性负载切换而产生的瞬变， 而所有这些在工业环境中都很常见。EC 61000-4-4中定义的 EFT测试，就是去模拟这些事件产生的干扰。

图3：EFT特性曲线

IEC 61000-4-4规定了不同环境状况下的电压测试级别，分为4级。同时规定了不同测试级别对应的测试电压和脉冲重复速率。

· 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

图4：IEC 61000-4-4 EFT 测试级别

浪涌（Surge）

浪涌通常由开关操作造成的过压情况或雷击造成。开关瞬变的起因可能是电力系统切换、配电系统中的负载变化或各种系统故障。雷击瞬变的起因可能是附近的雷击导致向电路中注入了较大的电流和电压。IEC 61000-4-5定义了在容易受到这些浪涌现象影响的情况下用于评估电子电气设备抗扰度的波形、测试方法和测试级别。

图5：Surge特性曲线

浪涌的能量级别可以达到ESD或EFT脉冲能量级别的三到四个数量级。因此，浪涌可以视作是EMC瞬变规范中最严重的一种。 由于ESD和EFT之间的相似性，相应的电路保护设计也很相似，但是由于浪涌的能量大，因此必须采取不同的处理方式。

Excelpoint世健公司技术支持部副总监Angus Zhao说：“开发EMC保护电路的过程，就是要根据实际应用的场景，达到相应的上述三种瞬变的抗扰度的规范要求，同时又要保证成本效益。这看似复杂的工作，实际上有它自己的原则和套路可循。”

RS-485端口EMC方案相应的规范要求实际上就是保护电路设计需要达到的目标。为了达成这样的目标，自有其设计原则：

针对瞬变提供保护，主要有两种方式：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，它能够将瞬变转移到大地，从而移走绝大部分的能量。次级保护的目的是保护系统各个部件，使其免受主保护允许通过的任何瞬变电压和电流的损坏。次级保护通常更侧重于面向受保护系统的具体部件。它经过优化，可以确保针对上述残余瞬变提供保护，同时还允许系统的这些敏感部件正常工作。Excelpoint世健技术支持部副总监Angus Zhao说：“这两种方式必须确保主设计和次级设计能够一起配合系统输入/输出，以便最大限度地降低对受保护电路造成的应力。同时在设计中，一般在主保护器件和次级保护器件之间会有一个协调元件，例如电阻或非线性过流保护器件，以确保能够进行协调。”

图6：传统的EMC防护解决方案架构

按照以上的规范要求和设计原则，下面我们提供三种不同级别的EMC防护解决方案，这些方案都已经经过了第三方独立EMC兼容性测试的认证。方案中用到的元器件包括：

·ADM3485EARZ 3.3 V RS-485收发器（ADI）

·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）