rs485电路设计自有套路 三类经典RS-485端口EMC防护方案详解

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1：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）

　　方案一

　　EFT和ESD瞬变的能量级别类似，浪涌波形的能量级别则高出三到四个数量级。针对ESD和EFT的保护可通过相似的方式完成，针对高级别浪涌的保护解决方案则更为复杂。第一个解决方案提供四级ESD和EFT和二级浪涌保护。

　　此解决方案使用Bourns公司的CDSOT23-SM712 TVS阵列，它包括两个双向TVS二极管。TVS是基于硅的器件。在正常工作条件下，TVS具有很高的对地阻抗；理想情况下它是开路的。保护方法是将瞬变导致的过压箝位到电压限值。这是通PN结的低阻抗雪崩击穿实现的。当产生大于TVS的击穿电压的瞬变电压时， TVS会将瞬变箝位到小于保护器件的击穿电压的预定水平，只需《 1 ns，瞬变电流即可从受保护器件转移至地。

　　重要的是要确保TVS的击穿电压在受保护引脚的正常工作范围之外。CDSOT23-SM712的独有特性是具有+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，从而提供最佳保护，同时最大限度地减小对RS-485收发器的过压应力。

　　图2：CDSOT23-SM712 TVS特性曲线

　　图3：基于TVS阵列的保护方案

　　方案二

　　如果要提高浪涌保护级别，保护电路变将得更加复杂，在方案二中，我们将浪涌保护提高到四级。

　　在这个方案中，由TVS（CDSOT23-SM712）提供次级保护， TISP（TISP4240M3BJR-S）则提供主保护，主保护器件和次级保护器件之间的协调以及过流保护是利用Bourns专利技术的过流保护器件TBU（TBU-CA065-200-WH）实现的。

　　图4：TBU的特性曲线

　　当瞬变能量施加于保护电路时，TVS将会击穿，通过提供低阻抗的接地路径来保护器件。由于电压和电流较高，还必须通过限制通过的电流来保护TVS。这可采用TBU，TBU是一个主动高速过流保护元件可阻挡电流，而不是将其分流至地。作为串联元件，它会对通过器件的电流做出反应，而不是对接口两端的电压做出反应。TBU是一个高速过流保护元件，具有预设电流限值和耐高压能力。当发生过流，TVS由于瞬变事件击穿时，TBU中的电流将升至器件设置的限流水平。此时， TBU会在小于1 μs时间内将受保护电路与浪涌断开。在瞬变的剩余时间内，TBU保持在受保护阻隔状态，通过受保护电路的电流非常小（《1 mA）。在正常工作条件下，TBU 具有低阻抗，因此它对正常电路工作的影响很小。在阻隔模式下，它具有很高的阻抗以阻隔瞬变能量。在瞬变事件后，TBU自动重置到低阻抗状态，让系统恢复正常工作。

　　图5：TBU与PTC（保险丝Fuse）之间的差异

　　与所有过流保护技术相同，TBU具有最大击穿电压，因此主保护器件必须箝位电压，并将瞬变能量重新引导至地。 这通常使用气体放电管或固体放电管（晶闸管）TISP等技术实现，例如TISP。TISP充当主保护器件，当超过其预定义保护电压时，它提供瞬变开路低阻抗接地路径，从而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-电流特性通过转移产生的电流来限制过压。作为晶闸管，TISP具有非连续电压-电流特性，它是由于高电压区和低电压区之间的切换动作而导致的。在TISP器件切换到低电压状态之前，它具有