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三个经典的RS-485端口EMC防护方案详解

2018-04-1119493安规与电磁兼容网

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7:CDSOT23-SM712 TVS特性曲线

 

 图8: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。

原来全是套路!三个经典的RS-485端口EMC防护方案详解 

图9: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。

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图10: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11: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。

 

图12:TVS、TBU和TISP协同工作,提供更高级别保护 

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