RS-485ポート保護の原理から実測まで詳しく解説

更新日: 2 年 2023 月 XNUMX 日

実際の産業、電力、オートメーション、および計装アプリケーションでは、RS-485 バス規格は広く使用されている物理層バス設計規格の 485 つです。 過酷な電磁環境で動作するため、これらのデータ ポートを最終環境に確実に設置できるようにするには、環境内で適切に動作するには、関連する電磁両立性 (EMC) 規制に準拠する必要があります。 原理から実際の測定まで、RSXNUMX のポート保護の詳細な分析をお届けします。

実際の産業、電力、オートメーション、および計装アプリケーションでは、RS-485 バス規格は広く使用されている物理層バス設計規格の 485 つです。 過酷な電磁環境で動作するため、これらのデータ ポートを最終環境に確実に設置できるようにするには、環境内で適切に動作するには、関連する電磁両立性 (EMC) 規制に準拠する必要があります。 原理から実際の測定まで、RSXNUMX のポート保護の詳細な分析をお届けします。

RS-485 ポートの EMC 設計では、静電気放電 (ESD)、電気的高速過渡現象 (EFT)、およびサージ (サージ) の XNUMX つの要素に焦点を当てる必要があります。 国際電気標準会議 (IEC) 仕様では、一連の EMC 耐性要件が定義されています。 この仕様には次の XNUMX 種類の高機能が含まれます。電圧 設計者は、データ通信ラインがこれらの過渡現象によって損傷を受けないようにする必要があります。

XNUMX つのタイプは次のとおりです。

IEC 61000-4-2 静電気放電 (ESD)
IEC 61000-4-4 電気的高速過渡現象 (EFT)
IEC 61000-4-5 サージ耐性 (サージ)

静電放電

静電気放電 (ESD) とは、電位の異なる 61000 つの帯電物体間の、密着または電界の伝導による突然の静電荷の伝達を指します。 短時間に大きな電流が流れるのが特徴です。 IEC 4-2-61000 テストの主な目的は、作業プロセス中のシステムの外部 ESD イベントに対するシステムの耐性を判断することです。 IEC 4-2-4 では、さまざまな環境条件下での電圧試験レベルが 1 つのレベルに分けて規定されています。 グレード4は軽度、グレード1は重度。 クラス 2 および 3 は、帯電防止材料を使用した制御された環境に設置される製品に適しています。 レベル 4 および XNUMX は、高電圧による ESD イベントがより一般的である、より厳しい環境に設置される製品用です。


図 1: ESD 特性曲線

図 2: IEC 61000-4-2 ESD テスト レベルと設置カテゴリ

電気的な高速過渡現象 (バースト)

電気的高速過渡現象 (EFT) は、信号線への多数の非常に高速な過渡パルスの結合、システムおよび通信ポートに容量結合される可能性のある外部スイッチング回路に関連する過渡障害をテストします。 EFTワインドアップには以下が含まれます リレー およびスイッチ接点のバウンス、または誘導性または容量性負荷スイッチングによる過渡現象はすべて産業環境では一般的です。 EC 61000-4-4 で定義されている EFT テストは、これらのイベントによって生成される干渉をシミュレートすることです。


図 3: EFT 特性曲線

IEC 61000-4-4 では、さまざまな環境条件下での電圧試験レベルが 4 つのレベルに分けて規定されています。 同時に、さまざまなテストレベルに対応するテスト電圧とパルス繰り返し率が指定されます。

• レベル 1 は、十分に保護された環境を示します。
• クラス 2 は保護された環境を示します。
• クラス 3 は典型的な産業環境を示します。
• 過酷な産業環境向けのクラス 4


図 4: IEC 61000-4-4 EFT テスト レベル

サージ

サージは通常、スイッチング動作または落雷によって引き起こされる過電圧状態によって発生します。 スイッチング過渡現象は、電力システムのスイッチング、配電システムの負荷変化、またはさまざまなシステム障害によって発生する可能性があります。 雷の過渡現象は、近くに落雷があり、大電流と電圧が内部に注入されることによって引き起こされることがあります。 回路。 IEC 61000-4-5 は、電気的および耐衝撃性を評価するための波形、試験方法、および試験レベルを定義しています。 エレクトロニック 機器がこれらのサージ現象の影響を受けやすい場合。


図 5: サージ特性曲線

サージのエネルギー レベルは、ESD または EFT パルスのエネルギー レベルの XNUMX ~ XNUMX 桁になることがあります。 したがって、サージは EMC 過渡仕様における重大なカテゴリと見なすことができます。 ESD と EFT は類似しているため、対応する回路保護設計も類似していますが、サージのエネルギーが高いため、異なる方法で処理する必要があります。

Excelpoint Shijian Company の技術サポート部門副部長である Angus Zhao 氏は次のように述べています。「EMC 保護回路の開発プロセスは、コストを確保しながら、実際のアプリケーション シナリオに従って上記 XNUMX 種類の過渡耐性仕様の対応する要件を満たすことです。 。 利点。 この一見複雑に見える作業には、実際には従うべき独自の原則とルーチンがあります。」

RS-485 ポートの EMC ソリューションの対応する標準要件は、実際には保護回路設計によって達成される目標です。 このような目標を達成するために、独自の設計原則があります。

過渡現象に対する保護を提供するには、主に XNUMX つの方法があります。過電流保護は、ピーク電流を制限するために使用されます。 過電圧保護はピーク電圧を制限するために使用されます。 一般的な保護スキームの設計には、一次保護と二次保護が含まれます。 一次保護は、過渡エネルギーの大部分をシステムからそらすもので、通常はシステムと環境の間のインターフェースに配置され、過渡エネルギーをアースにそらすことで、エネルギーの大部分が除去されます。 二次保護の目的は、さまざまな保護を行うことです。 コンポーネント 一次保護が許可する過渡電圧および過渡電流からシステムを保護します。 二次保護は通常、保護されるシステムの特定のコンポーネントに重点を置きます。 システムのこれらの敏感な部分が適切に機能できるようにしながら、これらの残留過渡現象に対する保護を確保するように最適化されています。 Excelpoint Shijian テクニカル サポート部門の副ディレクターである Angus Zhao 氏は次のように述べています。「これら XNUMX つの方法では、メイン設計とセカンダリ設計がシステムの入出力と連携して保護回路へのストレスを最小限に抑えることができるようにする必要があります。」 同時に、設計では、一般に、一次保護デバイスと二次保護デバイスの間に調整要素が存在します。 抵抗 または非線形過電流保護デバイスを使用して調整を確保します。」


図 1: 従来の EMC 保護ソリューションのアーキテクチャ

上記の仕様要件と設計原則に従って、当社は以下の XNUMX つの異なるレベルの EMC 保護ソリューションを提供しており、そのすべてがサードパーティの独立した EMC 互換性テストに合格しています。 このスキームで使用されるコンポーネントには次のものが含まれます。
ADM3485EARZ 3.3 V RS-485 トランシーバー (ADI)
TVS 過渡電圧サプレッサー CDSOT23-SM712 (Bourns)
TBU トランジェント ブロックアウト ユニット TBU-CA065-200-WH (Bourns)
TIST サイリスタ サージ プロテクター TISP4240M3BJR-S (Bourns)
GDT ガス排出管 2038-15-SM-RPLF (Bourns)

オプションOne

EFT と ESD 過渡現象は同様のエネルギー レベルを持っていますが、サージ波形は 4 ~ 2 桁高いエネルギー レベルを持っています。 ESD および EFT に対する保護は同様の方法で実現できますが、他のサージに対する保護ソリューションはより複雑です。 このソリューションは、レベル XNUMX の ESD および EFT、およびレベル XNUMX のサージ保護を提供します。

このソリューションは、23 つの双方向 TVS ダイオードを含む Bourns の CDSOT712-SMXNUMX TVS アレイを使用します。 TVS はシリコンベースのデバイスです。 通常の動作条件では、TVS は接地に対して高インピーダンスになります。 理想的には開回路です。 保護方法は、過渡現象によって引き起こされる過電圧を電圧制限までクランプすることです。 これは、PN 接合の低インピーダンスのアバランシェ降伏によって実現されます。TVS の降伏電圧を超える過渡電圧が生成されると、TVS はその過渡電圧を保護デバイスの降伏電圧未満の所定のレベルにクランプします。

TVS のブレークダウン電圧が、保護されたピンの通常の動作範囲外であることを確認することが重要です。 CDSOT23-SM712 のユニークな特徴は、13.3 V と C7.5 V の非対称降伏電圧を備えていることです。これは、RS-12 チップ ADM7E の 485 V ~ C3485 V のトランシーバのコモンモード範囲に一致します。 RS-485 トランシーバーの過電圧ストレスを軽減するためにグランドを制限しながら保護を提供します。


図 2: CDSOT23-SM712 TVS 特性曲線

図 3: TVS アレイに基づく保護スキーム

オプションⅡ

サージ保護のレベルを高めると、保護回路がより複雑になります。 XNUMX 番目のスキームでは、サージ保護のレベルをレベル XNUMX に高めます。

この方式では、二次保護は TVS (CDSOT23-SM712) によって提供され、主保護は TISP (TISP4240M3BJR-S) によって提供されます。 電流保護装置TBU(TBU-CA065-200-WH)により実現。


図 4: TBU の特性曲線

過渡エネルギーが保護回路に印加されると、TVS が故障し、グランドへの低インピーダンス パスを提供することでデバイスを保護します。 TVS は高電圧と高電流のため、そこを流れる電流を制限して保護する必要があります。 これは、電流をグランドに分流する代わりにブロックするアクティブ高速過電流保護素子である TBU を使用して行うことができます。 直列要素として、インターフェース間の電圧ではなく、デバイスを流れる電流に応答します。 TBU は、プリセットされた電流制限と高耐電圧機能を備えた高速過電流保護デバイスです。 過電流が発生し、過渡現象によって TVS が故障すると、TBU の電流はデバイスによって設定された電流制限レベルまで上昇します。 この時点で、TBU は保護された回路を 1 μs 未満でサージから切断します。残りの過渡現象の間、TBU は保護された回路を流れる電流がほとんどなく、保護されたブロッキング状態を維持します。


図 5: TBU と PTC (ヒューズ) の違い

すべての過電流保護技術と同様に、TBU にはブレークダウン電圧があるため、主保護デバイスが電圧をクランプし、過渡エネルギーをグランドにリダイレクトする必要があります。 これは通常、ガス放電管や固体放電管 (サイリスタ) TISP などの技術を使用して実現されます。 TISP は主な保護デバイスとして機能し、事前定義された保護電圧を超えると、グランドへの過渡オープン低インピーダンス パスを提供し、過渡エネルギーの大部分をシステムや他の保護デバイスから遠ざけます。

TISP の非線形電圧電流特性は、生成された電流を迂回させることで過電圧を制限します。 TISP はサイリスタとして、高電圧領域と低電圧領域の間のスイッチング動作によって生じる不連続な電圧電流特性を持っています。 TISP デバイスが低電圧状態に切り替わる前に、過渡エネルギーを分路する低インピーダンスのグランド パスがあり、アバランシェ降伏領域によってクランプ動作が発生します。


図6: TISPの特性曲線

過電圧を制限するプロセス中、保護された回路は短時間高電圧にさらされるため、TISP デバイスは低電圧保護オープン状態に切り替わる前にブレークダウン領域にあります。 TBU は、この高電圧によって引き起こされる大電流による損傷からバックエンド回路を保護します。 分流された電流が臨界値を下回ると、TISP デバイスは自動的にリセットされ、通常のシステム動作が再開されます。

上記の XNUMX つの要素はすべて連携して動作し、システムの入力/出力と連動して、高電圧および高電流過渡現象に対するシステム レベルの保護を提供します。


図 7: TVS、TBU、TISP が連携してさらなる保護を提供

XNUMX番目の解決策

保護スキームが 6 kV のサージ過渡現象に対処する必要がある場合は、スキームにいくつかの調整が必要になります。 新しいスキームは、保護スキーム 220 と同様に機能します。 ただし、この回路では TISP の代わりにガス放電管 (GDT) を使用して TBU を保護し、それによって二次保護デバイス TVS を保護します。 TISP と比較して、GDT はガス放電の原理を採用しており、より大きな過電圧および過電流ストレスに対する保護を提供できます。 TISP の定格電流は 5 A、GDT の定格電流は XNUMX kA (単位導体で計算) です。


図 8: GDT の特性曲線

GDT は主に一次保護デバイスとして使用され、過電圧過渡現象から保護するためにグランドへの低インピーダンス パスを提供します。 過渡電圧が GDT スパークオーバー電圧に達すると、GDT は高インピーダンスのオフ状態からアーク放電モードに切り替わります。 アーク モードでは、GDT は仮想短絡回路として機能し、グランドへの過渡的な開回路電流ドレイン パスを提供し、過渡的なサージ電流を保護されたデバイスから遠ざけます。


図 9: TVS、TBU、および GDT を連携して使用すると、より大きな過電圧および過電流ストレスに耐えることができます

Excelpoint Shijian Company のテクニカル サポート部門副ディレクターである Angus Zhao 氏は次のように結論付けています。RS-485 ポートの EMC ソリューションには独自のルーチンがあり、保護が従う必要がある仕様を理解した後、準拠した設計を作成することは難しくありません。回路保護デバイスの特性に精通していること。


図 10: 485 つの RSXNUMX ポートの EMC ソリューションの保護レベルの比較

Shijian Company は、レベル 485 以上の IEC6100-4-2 ESD、IEC61000-4-4 EFT、IEC61000-4-5 サージ EMS 安全性テストに合格できる 4 つの古典的で実用的な RS-XNUMX ポート保護ソリューションも導入しました。

ソリューション 1: 3 極 GDT TBU TVS アーキテクチャ ソリューションを採用する


ソリューション 2: 2 極 GDT TBU TVS アーキテクチャ ソリューションを採用する

もっと見る : IGBTモジュール | LCDディスプレイ | 電子部品