CN0313

EMC COMPLIANT RS-485收发器保护电路
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电路功能与优势

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图1所示电路使用ADM3485E 收发器,是经过验证并测试的 电磁兼容性(EMC)解决方案,可为使用广泛的RS-485通信端口提供三重保护。每个解决方案都经过测试和特性表 征,确保收发器和保护电路元件之间的动态交互能够协同 工作,保护它们免遭静电放电(ESD)、电快速瞬变脉冲群 (EFT)和电涌的破坏——分别由IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-4 和IEC 61000-4-5标准定义。本电路使用ADM3485E提供经过 验证的RS-485接口ESD、EFT和电涌(常见于恶劣工作环境) 保护。



图1. 三个EMC兼容ADM3485E保护电路(原理示意图,未显示所有连接)

电路描述

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在工业和仪器仪表应用中,RS-485总线标准是使用最广泛 的物理层总线设计标准之一。RS-485提供多个系统之间的差 分数据传输,这些系统通常相距很远。RS-485的应用包括: 过程控制网络、工业自动化、远程终端、楼宇自动化(例如, 暖通空调(HVAC)、保安系统)、电机控制和运动控制。

 

在这些实际的系统中,雷击、电源波动、感应开关和静电 放电会通过产生较大瞬变电压对通信端口造成损害。设计 人员必须确保设备不仅能在理想条件下工作,而且能够在 实际可能遇到的恶劣环境下正常工作。为了确保这些设计 能够在电气条件恶劣的环境下工作,必须符合EMC规范。

 

许多EMC的问题并不简单,且不易呈现,因此必须在产品 开发周期的初级阶段即将其考虑在内。正确的解决方案和 保护电路必须作为整体设计的一部分,而非留到最后一 刻。保护电路必须集成特定收发器生产商的输入和输出结 构,作为设计的组成部分。

IEC 61000规范定义了一组EMC耐受性要求。在这组规范中,设计人员必须考虑数据通信线路的下列三类高压瞬变:

  • IEC 61000-4-2静电放电(ESD)
  • IEC 61000-4-4电快速瞬变脉冲群(EFT)
  • IEC 61000-4-5电涌耐受

ESD和EFT具有类似的上升时间、脉冲宽度和能耗水平。电 涌瞬变具有更长的上升时间和脉冲宽度;其幅度最终可能 比ESD或EFT瞬变电能的幅度高3至4个数量级。由于ESD和 EFT瞬变的相似性,它们的电路保护设计也相近。但是因 为电涌瞬变的电能水平较高,因此必须将它们区别对待。

 

每款解决方案都向数据端口提供ESD电压(8 kV接触放电和 15 kV空气放电)以及2 kV的EFT电压保护。不同的解决方案提 供高达6 kV的更高电涌保护等级。电路保护等级列于表1中。

 

表1. 图1中全部三个保护电路的保护级别

 

保护方案
ESD
EFT(kV) 浪涌(kV)
 1. TVS 接触放电: 8kV
空气放电:15kV 
2 1
 2. TVS/TBU/TISP 接触放电: 8kV 
空气放电:15kV 
2 4
 3. TVS/TBU/GDT  接触放电: 8kV 
空气放电:15kV 

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图2显示EVAL-CN0313-SDPZ板的实物照片。电路板上有三 个ADM3485E器件,每个器件用于一种保护方案。每种保护方案都提供本文描述的ESD和EFT保护,并提升电涌保护等级。

 

有关EVAL-CN0313-SDPZ板的完整设计支持包,包括原理 图、布局文件和物料清单,请参阅 www.analog.com/CN0313-DesignSupport.



图2. EVAL-CN0313-SDPZ板

ADM3485E是一款3.3 V低功耗数据收发器,适合用于多点 传输线路的半双工通信。它的数据速率高达12 Mbps,总线 引脚(A和B)上的共模电压范围为−7 V至+12 V。数据通过DI 引脚发送出去,通过RO引脚接收。驱动器和接收器的输出 都可使能或禁用,即通过改变DE和 RE 引脚上的相应逻辑 电平,进入高阻抗状态。

电源和接地通过螺旋电缆连接器互相连接 (VCC。 和 GND)该连接器供全部三个ADM3485E器件使用。

DE和RE逻辑输入通过LK1至LK6设置。对每个ADM3485E 而言,LK2、LK4和LK6与DE有关;LK1、LK3和LK5与 RE。有关。对每条链路而言,位置A连接逻辑引脚至VCC位置 B连接逻辑引脚至GND;位置C连接逻辑引脚至四引脚侧面螺旋电缆连接器。输入DI和输出RO引脚直接连接四引脚螺旋连接器。

EVAL-CN0313-SDPZ还兼容ADI公司的ezLINX™板 (EZLINX-IIIDE-EBZ)以及系统开发平台(EVAL-SDP-CB1Z)。连接器J8将SDP或ezLINX板上的UART和GPIO接口与ADM3485E器件的逻辑I/O相连。I/O连接和跳线配置如表2所示。

 

表2. ezLINX和SDP I/O连接、跳线配置


ADM3485E I/O Pin
SDP/ezLINX 连接器
选择 
 TVS

RO

RE

DE

DI

UART_RX

GPIO_0

GPIO_3

UART_TX

LK7(A)

LK1(C)

LK2(C)

LK8(A)

 TVS/TBU/TISP

RO

RE

DE

DI

UART_RX

GPIO_1

GPIO_4

UART_TX

LK7(B)

LK3(C)

LK4(C)

LK8(B)

 TVS/TBU/GDT

RO

RE

DE

DI

UART_RX

GPIO_2

GPIO_5

UART_TX

LK7(C)

LK5(C)

LK6(C)

LK8(C)



ADM3485E发送器和接收器共用同样的差分总线引脚(A和B)。保护电路用于保护这些总线引脚。

在第一个保护电路中(TVS,如图1所示),使用了一个元件,即Bourns公司的CDSOT23-SM712。它是EVALCN0313-SDPZ上的瞬变电压抑制器(TVS)阵列。它由两个双向TVS二极管组成,经过优化后保护RS-485系统,使其受到尽可能少的过应力,同时支持全范围RS-485信号和共模电压偏移。在正常工作条件下,TVS具有很高的对地阻抗。发生过压情况时,TVS进入雪崩击穿模式,并将引脚电压箝位于安全的预定电平。然后,它将瞬变电流从ADM3485E转移到地。

此保护方案提供高达8 kV(接触放电)和15 kV(空气放电)ESD保护、2 kV EFT保护和1 kV电涌保护。

如CDSOT23-SM712数据手册中所述,该器件专为RS-485设 备而设计。以下两个保护方案应用于CDSOT23-SM712,提 供针对电涌的更高级电路保护。

 

在第二个方案中(图1中的TVS/TBU/TISP),CDSOT23-SM712 TVS提供第二级保护,而Bourns公司的TISP4240M3BJR-S提 供第一级保护。TISP4240M3BJR-S是一款完全集成式电涌 保护器 (TISP)。TISP是一款固态晶闸管。当超过其预定保 护电压时,TISP提供低阻抗接地路径,将大部分瞬变能量 从ADM3485E转移开。


Bourns公司的TBU-CA065-200-WH瞬态闭锁单元 (TBU)是 一款非线性过流保护器件,位于第一级和第二级保护器件 之间,确保协调工作。TBU是一款过流闭锁器件,在预定 电流下开路。在阻隔模式下,它具有很高的阻抗以阻隔瞬 变能量。此保护方案提供高达8 kV(接触放电)和15 kV(空气 放电)ESD保护、2 kV EFT保护和4 kV电涌保护。

 

第三级保护方案(图1中的TVS/TBU/ GDT工作情况与保护方案2相似。该方案使用气体放电管(GDT)而非TISP。GDT针对比前述TISP保护方案更高的过压和过流提供保护。GDT是气体放电等离子器件,提供低阻抗接地路径以防止过压瞬变。所选GDT为Bourns公司的2038-15-SM-RPLF。

 

该第三级保护方案提供高达8 kV(接触放电)和15 kV(空气放 电)ESD保护、2 kV EFT保护和6 kV电涌保护。

 

ADM3485E有一个120 Ω引脚与总线引脚相连。

电路评估与测试

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为EVAL-CN0313-SDPZ板施加3.3 V至VCC电源。电压可通过 每个ADM3485E附近的VCC测试点检查。发送和接收路径可 通过连接其中一个ADM3485E电路进行测试,如图3所示。 信号或模式发生器可连接到DI。驱动器的输出可通过A和B 测试点监控,而接收器的输出可通过RO测试点监控。跳线 配置如图3所示。该测试设置可应用于全部三个电路。



图3. 发送和接收测试设置

根据IEC 61000-4-2,ESD测试需使用两种耦合方法,即接触 放电和空气放电。接触放电意味着放电枪与测试端口直接 相连。采用空气放电法时,放电枪的放电电极向测试端口 移动,直到产生放电并在整个气隙上形成一道弧。向每条 总线线路的螺丝端子连接器放电。

对于IEC 61000-4-4 EFT测试,使用容性耦合箝位将EFT突发 脉冲耦合至连接总线线路的电缆。箝位的耦合电容值取决 于电缆直径、电缆材料和电缆的屏蔽情况。

 

IEC 61000-4-5电涌测试表示需要使用耦合/去耦网络(CDN), 以便将电涌瞬变耦合至总线引脚。根据规格要求,它必须 使用两个80 Ω电阻针对两个端口测试。图4显示电涌测试的 测试设置。将CDN连接至A和B引脚,以及将电涌发生器 的共模端连接至4个引脚螺旋连接器的接地。



图4. IEC 61000-4-5电涌CDN输入ADM3485E的设置

本文描述的所有保护电路均采用ADM3485E,经过实验室特 性表征并通过了外部独立的EMC兼容性测试公司的验证。

有关ezLINX iCoupler®隔离式接口开发环境的更多信息,请 参考 http://wiki.analog.com/resources/eval/ezlinx.

有关EMC的其他关键问题,请访问 http://www.analog.com/rs485emc.

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ADM3485E 3.3 V、±15 kV ESD保护、RS-485/RS-422收发器(半双工、12Mbps、DE/RE)

ADM3485EARZ

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