保护 RS-485 免受 ESD 影响的基础知识

在这篇文章中，我将介绍如何使用瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管和防脉冲电阻器保护我们的差分总线免受系统级瞬变的影响。

RS-485 等工业网络有望在其终端应用中承受严酷的系统级瞬变而不会受到损坏。处理过程中的静电放电 (ESD)、感性负载的中断、继电器触点弹跳和/或雷击都会造成损坏。我们可以通过在差分总线上添加外部组件来保护我们的工业设计免受这些瞬态事件的影响。

在工业、电力、自动化及仪器仪表实际应用中，RS-485总线标准是目前业内应用最广泛的物理层总线设计标准之一。为了确保数据端口能够在极其恶劣的电磁环境中正常运行，RS-485端口防护方案必须符合相关的电磁兼容性EMC法规在RS-485端口的EMC设计中，我们需要做的就是确保数据通信线路不受静电放电ESD、电快速瞬变EFT和浪涌Surge威胁和损害，想方设法去满足ESD、EFT、Surge这三种规范的要求

工业与仪器仪表(I&I)应用常常需要在距离很远的多个系统之间传输数据。RS-485电气标准是I&I应用中使用最广泛的物理层规范之一，I&I应用包括：工业自动化、过程控制、电机控制和运动控制、远程终端、楼宇自动化(暖通空调HVAC等)、安保系统和再生能源等。

使RS-485成为I&I通信应用理想之选的一些关键特性如下：

• 长距离链路——最长4000英尺;

• 可在一对绞线电缆上双向通信;

• 差分传输可提高共模噪声抗扰度，减少噪声辐射;

• 可将多个驱动器和接收器连接至同一总线;

• 宽共模范围(–7 V至+12 V)允许驱动器与接收器之间存在地电位差异;

• TIA/EIA-485-A允许数据速率达到数十Mbps。

让我们看看制造商用来测试稳健性的国际电工委员会 (IEC) ESD 61000-4-2 系统级 ESD 测试。IEC ESD测试涉及两种测试方法：接触放电和空气放电。接触 ESD 测试将来自 IEC ESD 枪的 ESD 脉冲直接释放到被测设备 (DUT) 上。空气 ESD 放电测试包括将带电的 ESD 枪移向 DUT，直到空气分解到足以让 ESD 冲击在 ESD 枪和 DUT 之间传导。IEC ESD 测试同时使用正极和负极进行，并且只有在两种极性都保持在一个级别上之后才能通过分数。表 1 显示了 IEC 61000-4-2 ESD 测试电压和峰值电流水平。

*这是一个开放的水平。必须在专用设备规格中指定级别。如果指定的电压高于所示电压，我们可能需要特殊的测试设备。

表1 ：IEC 61000-4-2 ESD 测试电压等级

图 1 描绘了 IEC ESD 脉冲的基本形状，并显示了测试脉冲的时序。

图1：IEC ESD脉冲电流波形及测试时序

按照以上提及的规范要求和设计原则，为我们提供三种不同级别的EMC防护解决方案并通过了EMC兼容测试的认证。在RS-485防护方案中，需要用到的电路保护元器件有：

1）TVS二极管阵列SM712

2）过流保护器件

3）瞬变闭锁单元

4）晶闸管浪涌保护器

5）陶瓷气体放电管

为了帮助保护我们的工业设计免受 ESD 事件期间传递的高水平能量的影响，我们可以在总线上添加一个 TVS 二极管和防脉冲串联电阻，以帮助转移和消耗能量。将 TVS 二极管放置在非常靠近总线线路进入设计的电路板连接器的位置，可确保耦合到总线上的任何瞬态能量在源点处最小化。TVS 充当钳位电路，将任何高能脉冲重定向到地，远离 RS-485 收发器。

如果 TVS 二极管钳位电压高于收发器总线引脚的指定最大电压，则在 A 和 B 总线线路上添加串联防脉冲电阻器会限制收发器看到的剩余钳位电流。这些电阻器的值通常非常低（~10-20Ω）。选择能够适应适当功率水平的电阻器。

图 2 显示了使用SN65HVD82 RS-485 收发器的这一概念。 

图 2：SN65HVD82 RS-485 瞬态保护概述

表 2 显示了SN65HVD82 RS-485 收发器在添加了外部组件后可实现的性能。

表 2：测试结果汇总