原来全是套路！三个经典的RS-485端口EMC防护方案详解
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
级别/类别
接触放电测试电压（KV）
气隙放电测试电压（KV）
1
2
2
2
4
4
3
6
8
4
8
15
图2: IEC 61000-4-2 ESD测试级别和安装类别
电快速瞬变（脉冲群）
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
级别
数据端口测试电压和重复速率
峰值电压(KV)
重复速率(KHz)
1
0.25
5或100
2
0.5
5或100
3
1
5或100
4
2
5或100
图4: IEC 61000-4-4 EFT 测试级别
浪涌（Surge）
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
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
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。
保护产品类型
TBU
FUSE
动作相应时间
纳秒级(小于1us)
毫秒级
内阻
自恢复后内阻不变
每一次增大
耐压
最高850V
几十V
触发精度
精确
随工作环境温度改变
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，它具有低阻抗接地路径以分流瞬变能量，雪崩击穿区域则导致了箝位动作。
图6: TISP的特性曲线
在限制过压的过程中，受保护电路短暂暴露在高压下，因而在切换到低压保护打开状态之前，TISP器件处在击穿区域。TBU将保护后端电路，防止由于这种高电压导致的高电流造成损坏。当转移电流降低到临界值以下时，TISP器件自动重置，以便恢复正常系统运行。
所有上述三个元件协同工作，与系统输入/输出配 合，一起针对高电压大电流瞬变为系统提供系统级保护。
方案三
图8：GDT的特性曲线
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。
图9: 用TVS、TBU、GDT协同工作，可以耐受更大的过压和过流应力
Excelpoint世健公司技术支持部副总监Angus Zhao总结到：RS-485端口的EMC方案自有套路，了解了保护需要遵循的规范，熟悉电路保护器件的特性，做出合规的设计并不难。
图10: 三个RS485端口的EMC方案保护级别比较
最后，世健公司还介绍了两个经典实用的RS-485端口保护方案，可以通过IEC6100-4-2 ESD, IEC61000-4-4 EFT, IEC61000-4-5 Surge 4级以上EMS安规测试。
