設計瞬變保護電路時，設計人員必須考慮以下主要事項：

 

1
、該電路必須防止或限製瞬變引起的損壞

，並允許係統恢複正常工作
，性能影響極小。

2、保護方案應當非常可靠，足以處理係統在實際應用經受到的瞬變類型和電壓水平。

3、瞬變時長是一個重要因素。對於長時間瞬變，熱效應可能會導致某些保護方案失效。

4、正常條件下
，保護電路不得幹擾係統運行。

5、如果保護電路因為過應力而失效，它應以保護係統的方式失效。

 

圖5顯示一個典型保護方案，其特征是具有兩重保護：主zhu保bao護hu和he次ci級ji保bao護hu。主zhu保bao護hu可ke將jiang大da部bu分fen瞬shun變bian能neng量liang從cong係xi統tong轉zhuan移yi開kai，通tong常chang位wei於yu係xi統tong和he環huan境jing之zhi間jian的de接jie口kou。它ta旨zhi在zai將jiang瞬shun變bian分fen流liu至zhi地di
，從cong而er消xiao除chu大da部bu分fen能neng量liang。

 

cijibaohudemudeshibaohuxitonggegebujian，shiqimianshouzhubaohuyunxutongguoderenheshuntaidianyahedianliudesunhuai。tajingguoyouhua，quebaonenggoudiyucanyushunbianyingxiang，tongshiyunxuxitongdeminganbufenzhengchanggongzuo。zhubaohuhecijibaohudeshejibixuyuxitongI/Oxietonggongzuo，congerzuidachengdudijiangdiduishoubaohudianludeyali
，zhedianhenzhongyao。zhubaohuqijianyucijibaohuqijianzhijianyibanyouyigexietiaoyuanjian，rudianzuhuofeixianxingguoliubaohuqijiandeng
，yongyiquebaoerzhexietongyingduishunbian。

 

 

圖5：保護方案框圖

 

 

就特性而言，EMC瞬態事件在時間上會有變化，因此保護元件必須具有動態性能，而且其動態特性需要與受保護器件的輸入/輸出極相匹配
，這樣才能實現成功的EMC設計。器件數據手冊一般隻包含直流數據，由於動態擊穿和I/V特性可能與直流值存在很大差異，因此這些數據沒有太多價值。必須進行精心設計並確定特性
，了解受保護器件的輸入/輸出級的動態性能，並且使用保護元件，才能確保電路達到EMC標準。

 

圖6所示電路顯示了三種不同的完整的EMC兼容解決方案。每個解決方案都經過獨立外部EMC兼容性測試公司的認證
，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電壓抑製器(CDSOT23-SM712)、瞬態閉鎖單元(TBU-CA065-200-WH)、晶閘管電湧保護器(TISP4240M3BJR-S)和氣體放電管(2038-15-SM-RPLF)。

 

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

 

 

圖6：三個EMC兼容ADM3485E電路（原理示意圖，未顯示所有連接）

 

 

前麵說過，EFT和ESD瞬變具有相似的能量水平，而電湧波形的能量水平則高出三到四個數量級。針對ESD和EFT的保護可通過相似方式實現，但針對高電湧級別的保護解決方案則更為複雜。第一個解決方案提供四級ESD和EFT保護及二級電湧保護。本文描述的所有電湧測試都使用1.2/50 μs波形。

 

此解決方案使用Bourns公司的CDSOT23-SM712瞬變電壓抑製器(TVS)陣列
，它包括兩個雙向TVS二極管，非常適合保護RS-485係統
，過應力極小
，同時支持RS-485收發器上的全範圍RS-485信號和共模偏移（–7 V至+12 V）。表1顯示針對ESD
、EFT和電湧瞬變的電壓保護級別。

 

 

表1：解決方案1保護級別

 

TVS是基於矽的器件。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。保護方法是將瞬態導致的過壓箝位到電壓限值。這是通過PN結的低阻抗雪崩擊穿實現的。當產生大於TVS的擊穿電壓的瞬態電壓時
，TVS會將瞬態箝位到小於保護器件的擊穿電壓的預定水平。瞬變立即受到箝位（< 1 ns），瞬態電流從受保護器件轉移至地。

 

重要的是要確保TVS的擊穿電壓在受保護引腳的正常工作範圍之外。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的收發器共模範圍相匹配，從而提供最佳保護
，同時最大程度減小對ADM3485E RS-485收發器的過壓應力。

 

 

圖7：CDSOT23-SM712 I/V特性

 

 

上一解決方案可提供最高四級ESD和EFT保護
，但隻能提供二級電湧保護。為了提高電湧保護級別，保護電路變得更加複雜。以下保護方案可以提供最高四級電湧保護。

 

CDSOT23-SM712專門針對RS-485數據端口設計。以下兩個電路基於CDSOT23-SM712構建，提供更高級別的電路保護。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調通過TBU-CA065-200-WH完成。表2顯示使用此保護電路的ESD、EFT和電湧瞬變保護電壓級別。

 

 

表2：解決方案2保護級別

 

當瞬變能量施加於保護電路時
，TVS將會擊穿
，通過提供低阻抗的接地路徑來保護器件。由於電壓和電流較高，還必須通過限製通過的電流來保護TVS。這可采用瞬態閉鎖單元(TBU)實現
，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。作為串聯元件，它會對通過器件的電流做出反應
，而不是對接口兩端的電壓做出反應。TBU是一個高速過流保護元件
，具有預設電流限值和耐高壓能力。當發生過流
，TVS由於瞬態事件擊穿時，TBU中的電流將升至器件設置的限流水平。此時
，TBU會在不足1 μs時間內將受保護電路與電湧斷開。在瞬變的剩餘時間內，TBU保持在受保護阻隔狀態，隻有極小的電流(<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。在瞬態事件後，TBU自動複位至低阻抗狀態，允許係統恢複正常工作。

 

與所有過流保護技術相同，TBU具(ju)有(you)最(zui)大(da)擊(ji)穿(chuan)電(dian)壓(ya)，因(yin)此(ci)主(zhu)保(bao)護(hu)器(qi)件(jian)必(bi)須(xu)箝(qian)位(wei)電(dian)壓(ya)，並(bing)將(jiang)瞬(shun)變(bian)能(neng)量(liang)重(zhong)新(xin)引(yin)導(dao)至(zhi)地(di)。這(zhe)通(tong)常(chang)使(shi)用(yong)氣(qi)體(ti)放(fang)電(dian)管(guan)或(huo)固(gu)態(tai)晶(jing)閘(zha)管(guan)等(deng)技(ji)術(shu)實(shi)現(xian)，例(li)如(ru)完(wan)全(quan)集(ji)成(cheng)電(dian)湧(yong)保(bao)護(hu)器(qi)(TISP)。TISP充(chong)當(dang)主(zhu)保(bao)護(hu)器(qi)件(jian)。當(dang)超(chao)過(guo)其(qi)預(yu)定(ding)義(yi)保(bao)護(hu)電(dian)壓(ya)時(shi)，它(ta)提(ti)供(gong)瞬(shun)態(tai)開(kai)路(lu)低(di)阻(zu)抗(kang)接(jie)地(di)路(lu)徑(jing)，從(cong)而(er)將(jiang)大(da)部(bu)分(fen)瞬(shun)變(bian)能(neng)量(liang)從(cong)係(xi)統(tong)和(he)其(qi)他(ta)保(bao)護(hu)器(qi)件(jian)轉(zhuan)移(yi)開(kai)。

 

TISP的非線性電壓-電流特性通過轉移產生的電流來限製過壓。作為晶閘管，TISP具有非連續電壓-電流特性，它是由於高電壓區和低電壓區之間的切換動作而導致的。圖8顯示了器件的電壓-電流特性。在TISP器(qi)件(jian)切(qie)換(huan)到(dao)低(di)電(dian)壓(ya)狀(zhuang)態(tai)之(zhi)前(qian)，它(ta)具(ju)有(you)低(di)阻(zu)抗(kang)接(jie)地(di)路(lu)徑(jing)以(yi)分(fen)流(liu)瞬(shun)變(bian)能(neng)量(liang)，雪(xue)崩(beng)擊(ji)穿(chuan)區(qu)域(yu)則(ze)導(dao)致(zhi)了(le)箝(qian)位(wei)動(dong)作(zuo)。在(zai)限(xian)製(zhi)過(guo)壓(ya)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)


，受(shou)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)短(duan)暫(zan)暴(bao)露(lu)在(zai)高(gao)壓(ya)下(xia)，因(yin)而(er)在(zai)切(qie)換(huan)到(dao)低(di)壓(ya)保(bao)護(hu)導(dao)通(tong)狀(zhuang)態(tai)之(zhi)前(qian)
，TISP器件處在擊穿區域。TBU將保護下遊電路，防止由於這種高電壓導致的高電流造成損壞。當轉移電流降低到臨界值以下時，TISP器件自動複位，以便恢複正常係統運行。

 

如上所述，所有三個器件與係統I/O協同工作來保護係統免受高電壓和電流瞬變影響。

 

 

圖8：TISP切換特性和電壓限製波形

 

 

常常需要四級以上的電湧保護。此保護方案可保護RS-485端口免受最高6 kV電湧瞬變的影響。它的工作方式類似於保護解決方案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將針對高於前一種保護機製中所述TISP的過壓和過流應力提供保護。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每個導體的額定電流為5 kA。表3顯示此設計提供的保護級別。

 

 

表3：解決方案3保護級別

 

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。當瞬態電壓達到GDT火花放電電壓時，GDT將從高阻抗關閉狀態切換到電弧模式。在電弧模式下，GDT成為虛擬短路，提供瞬態開路電流接地路徑，將瞬態電流從受保護器件上轉移開。

 

圖9顯示GDT的典型特性。當GDT兩端的電壓增大時
，放電管中的氣體由於產生的電荷開始電離。這稱為輝光區。在此區域中，增加的電流將產生雪崩效應，將GDT轉(zhuan)換(huan)為(wei)虛(xu)擬(ni)短(duan)路(lu)
，允(yun)許(xu)電(dian)流(liu)通(tong)過(guo)器(qi)件(jian)。在(zai)短(duan)路(lu)事(shi)件(jian)中(zhong)
，器(qi)件(jian)兩(liang)端(duan)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)壓(ya)稱(cheng)為(wei)弧(hu)電(dian)壓(ya)。輝(hui)光(guang)區(qu)和(he)電(dian)弧(hu)區(qu)之(zhi)間(jian)的(de)轉(zhuan)換(huan)時(shi)間(jian)主(zhu)要(yao)取(qu)決(jue)於(yu)器(qi)件(jian)的(de)物(wu)理(li)特(te)性(xing)。

 

 

圖9：GDT特性波形

 

 

本文說明了處理瞬變抗擾度的三種IEC標準。在實際工業應用中，RS-485通信端口遇到這些瞬變時可能遭到損壞。EMC問題如果是在產品設計周期後期才發現
，可能需要重新設計，導致計劃延遲，代價巨大。因此
，EMC問題應在設計周期開始時就予以考慮，否則可能後悔莫及


，無法實現所需的EMC性能。

 

在設計麵向RS-485網絡的EMC兼容解決方案時，主要難題是讓外部保護元件的動態性能與RS-485器件輸入/輸出結構的動態性能相匹配。

 

本文介紹了適用於RS-485通信端口的三種不同EMC兼容解決方案

，設計人員可按照所需的保護級別選擇保護方案。EVAL-CN0313-SDPZ是業界首個EMC兼容RS-485客戶設計工具，針對ESD、EFT和電湧提供最高四級保護。表4總(zong)結(jie)了(le)不(bu)同(tong)保(bao)護(hu)方(fang)案(an)提(ti)供(gong)的(de)保(bao)護(hu)級(ji)別(bie)。雖(sui)然(ran)這(zhe)些(xie)設(she)計(ji)工(gong)具(ju)不(bu)能(neng)取(qu)代(dai)所(suo)需(xu)的(de)係(xi)統(tong)級(ji)嚴(yan)格(ge)評(ping)估(gu)和(he)專(zhuan)業(ye)資(zi)質(zhi)，但(dan)能(neng)夠(gou)讓(rang)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)在(zai)設(she)計(ji)周(zhou)期(qi)早(zao)期(qi)降(jiang)低(di)由(you)於(yu)EMC問題導致的項目延誤風險，從而縮短產品設計時間和上市時間。欲了解更多信息

，請訪問www.analog.com/zh/RS485emc

 

 

表4：三種ADM3485E EMC兼容解決方案