"실제 산업, 전력, 자동화 및 계측 애플리케이션에서 RS-485 버스 표준은 널리 사용되는 물리 계층 버스 설계 표준 중 하나입니다. 열악한 전자기 환경에서 작동하므로 이러한 데이터 포트가 최종적으로 설치될 수 있도록 보장하기 위해 해당 환경에서 제대로 작동하려면 관련 전자기 적합성(EMC) 규정을 준수해야 합니다. 원리부터 실제 측정까지 RS485의 포트 보호에 대한 자세한 분석을 제공합니다.
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실제 산업, 전력, 자동화 및 계측 애플리케이션에서 RS-485 버스 표준은 널리 사용되는 물리 계층 버스 설계 표준 중 하나입니다. 열악한 전자기 환경에서 작동하므로 이러한 데이터 포트가 최종적으로 설치될 수 있도록 보장하기 위해 해당 환경에서 제대로 작동하려면 관련 전자기 적합성(EMC) 규정을 준수해야 합니다. 원리부터 실제 측정까지 RS485의 포트 보호에 대한 자세한 분석을 제공합니다.
RS-485 포트의 EMC 설계에서는 정전기 방전(ESD), 전기적 빠른 과도 현상(EFT) 및 서지(Surge)의 세 가지 요소에 집중해야 합니다. IEC(International Electrotechnical Commission) 사양은 일련의 EMC 내성 요구 사항을 정의합니다. 이 사양 세트에는 다음과 같은 세 가지 유형의 고성능이 포함됩니다.전압 데이터 통신 회선이 이러한 과도 현상으로 인해 손상되지 않도록 설계자가 필요로 하는 과도 현상입니다.
세 가지 유형은 다음과 같습니다.
IEC 61000-4-2 정전기 방전(ESD)
IEC 61000-4-4 전기적 빠른 과도 현상(EFT)
IEC 61000-4-5 서지 내성(서지)
정전기 방전
정전기 방전(ESD)은 서로 다른 전위를 가진 두 개의 대전된 물체 사이에 밀착 또는 전기장의 전도로 인해 정전하가 갑자기 전달되는 것을 말합니다. 그것의 특징은 더 짧은 시간에 더 큰 전류가 있다는 것입니다. IEC 61000-4-2 테스트의 주요 목적은 작업 프로세스 중에 시스템의 외부 ESD 이벤트에 대한 시스템의 내성을 결정하는 것입니다. IEC 61000-4-2는 서로 다른 환경 조건에서 전압 테스트 수준을 지정하며 4개 수준으로 나뉩니다. 1등급 경증, 4등급 중증. 클래스 1 및 2는 정전기 방지 재료로 제어된 환경에 설치된 제품에 적합합니다. 레벨 3 및 4는 더 높은 전압의 ESD 이벤트가 더 자주 발생하는 더 혹독한 환경에 설치된 제품용입니다.
그림 1: ESD 특성 곡선
그림 2: IEC 61000-4-2 ESD 테스트 수준 및 설치 범주
전기적 빠른 과도 현상(버스트)
EFT(Electrical Fast Transients)는 통신 포트에 용량적으로 결합될 수 있는 외부 스위칭 회로 및 시스템과 관련된 과도 장애인 신호 라인에 대한 많은 수의 매우 빠른 과도 펄스의 결합을 테스트합니다. EFT 종료에는 다음이 포함됩니다. 계전기 스위치 접점 바운스 또는 유도성 또는 용량성 부하 전환으로 인한 과도 현상은 모두 산업 환경에서 일반적입니다. EC 61000-4-4에 정의된 EFT 테스트는 이러한 이벤트에 의해 생성된 간섭을 시뮬레이션하는 것입니다.
그림 3: EFT 특성 곡선
IEC 61000-4-4는 서로 다른 환경 조건에서 전압 테스트 수준을 지정하며 4개 수준으로 나뉩니다. 동시에 서로 다른 테스트 수준에 해당하는 테스트 전압 및 펄스 반복률이 지정됩니다.
• 수준 1은 잘 보호된 환경을 나타냅니다.
• 클래스 2는 보호된 환경을 나타냅니다.
• 클래스 3은 일반적인 산업 환경을 나타냅니다.
• 열악한 산업 환경을 위한 클래스 4
그림 4: IEC 61000-4-4 EFT 테스트 레벨
Surge
서지는 일반적으로 스위칭 작업 또는 낙뢰로 인해 발생하는 과전압 상태로 인해 발생합니다. 스위칭 과도 현상은 전원 시스템 스위칭, 배전 시스템의 부하 변경 또는 다양한 시스템 오류로 인해 발생할 수 있습니다. 낙뢰 과도 현상은 근처의 낙뢰로 인해 발생할 수 있으며 이로 인해 큰 전류와 전압이 회로. IEC 61000-4-5는 전기적 및 전자 이러한 서지 현상에 민감한 장비.
그림 5: 서지 특성 곡선
서지의 에너지 수준은 ESD 또는 EFT 펄스 에너지 수준의 XNUMX~XNUMX배가 될 수 있습니다. 따라서 서지는 EMC 과도 사양에서 심각한 범주로 간주될 수 있습니다. ESD와 EFT의 유사성으로 인해 해당 회로 보호 설계도 유사하지만 서지의 높은 에너지로 인해 다르게 처리해야 합니다.
Excelpoint Shijian Company의 기술 지원 부서 부국장 Angus Zhao는 다음과 같이 말했습니다. . 이익. 복잡해 보이는 이 작업에는 실제로 따라야 할 자체 원칙과 루틴이 있습니다.”
RS-485 포트 EMC 솔루션의 해당 표준 요구 사항은 실제로 보호 회로 설계에 의해 달성되어야 하는 목표입니다. 이러한 목표를 달성하기 위해 다음과 같은 자체 설계 원칙이 있습니다.
과도 현상에 대한 보호를 제공하는 두 가지 주요 방법이 있습니다. 과전류 보호는 피크 전류를 제한하는 데 사용됩니다. 과전압 보호는 피크 전압을 제한하는 데 사용됩니다. 일반적인 보호 체계 설계에는 XNUMX차 보호 및 XNUMX차 보호가 포함됩니다. XNUMX차 보호는 대부분의 과도 에너지를 시스템에서 멀리 전환하며 일반적으로 시스템과 환경 사이의 인터페이스에 위치하여 과도 에너지를 접지로 전환하여 대부분의 에너지를 제거합니다. XNUMX차 보호의 목적은 다양한 보호 구성 요소들 XNUMX차 보호 장치가 허용하는 과도 전압 및 전류로부터 시스템을 보호합니다. 보조 보호는 일반적으로 보호되는 시스템의 특정 구성 요소에 더 중점을 둡니다. 시스템의 이러한 민감한 부분이 제대로 작동하도록 허용하면서 이러한 잔류 과도 현상에 대한 보호를 보장하도록 최적화되었습니다. Excelpoint Shijian 기술 지원 부서의 부국장 Angus Zhao는 "이 두 가지 방법은 기본 설계와 보조 설계가 시스템 입력/출력과 함께 협력하여 보호된 회로에 대한 스트레스를 최소화할 수 있도록 해야 합니다. 동시에 설계에서 일반적으로 XNUMX차 보호 장치와 XNUMX차 보호 장치 사이에는 다음과 같은 조정 요소가 있습니다. 저항기 또는 조정을 보장하기 위한 비선형 과전류 보호 장치.”
그림 1: 기존 EMC 보호 솔루션 아키텍처
위의 사양 요구 사항 및 설계 원칙에 따라 아래의 세 가지 수준의 EMC 보호 솔루션을 제공하며 모두 제XNUMX자 독립 EMC 호환성 테스트를 통과했습니다. 계획에 사용된 구성 요소는 다음과 같습니다.
ADM3485EARZ 3.3V RS-485 트랜시버(ADI)
TVS 과도 전압 억제기 CDSOT23-SM712(Bourns)
TBU 과도 차단 장치 TBU-CA065-200-WH(Bourns)
TIST 사이리스터 서지 보호기 TISP4240M3BJR-S(Bourns)
GDT 가스 방전관 2038-15-SM-RPLF(Bourns)
옵션 하나
EFT 및 ESD 과도 전류는 에너지 수준이 비슷하지만 서지 파형은 에너지 수준이 4~2배 더 높습니다. ESD 및 EFT에 대한 보호는 비슷한 방식으로 수행할 수 있지만 다른 서지에 대한 보호 솔루션은 더 복잡합니다. 이 솔루션은 레벨 XNUMX ESD 및 EFT와 레벨 XNUMX 서지 보호를 제공합니다.
이 솔루션은 23개의 양방향 TVS 다이오드를 포함하는 Bourns의 CDSOT712-SMXNUMX TVS 어레이를 사용합니다. TVS는 실리콘 기반 장치입니다. 정상 작동 조건에서 TVS는 접지에 대해 높은 임피던스를 갖습니다. 이상적으로는 개방 회로입니다. 보호 방법은 과도 전압으로 인한 과전압을 전압 제한으로 고정하는 것입니다. 이는 PN 접합의 낮은 임피던스 애벌런치 항복을 통해 달성됩니다. TVS의 항복 전압보다 큰 과도 전압이 생성되면 TVS는 보호 장치의 항복 전압보다 낮은 미리 결정된 수준으로 과도 전압을 간단히 클램프합니다.
TVS의 항복 전압이 보호된 핀의 정상 작동 범위를 벗어나도록 하는 것이 중요합니다. CDSOT23-SM712의 고유한 특징은 13.3V 및 C7.5V의 비대칭 항복 전압을 가지며, 이는 RS-12 칩 ADM7E의 485V에서 C3485V까지 트랜시버의 공통 모드 범위와 일치하므로 RS-485 트랜시버의 과전압 스트레스를 줄이기 위해 접지를 제한하면서 보호를 제공합니다.
그림 2: CDSOT23-SM712 TVS 특성 곡선
그림 3: TVS 어레이 기반 보호 체계
옵션 II
서지 보호 수준을 높이면 보호 회로가 더 복잡해집니다. 두 번째 계획에서는 서지 보호 수준을 수준 XNUMX로 높입니다.
이 체계에서 23차 보호는 TVS(CDSOT712-SM4240)에서 제공하고 주 보호는 TISP(TISP3M065BJR-S)에서 제공합니다. 전류 보호 장치 TBU(TBU-CA200-XNUMX-WH)로 실현.
그림 4: TBU의 특성 곡선
과도 에너지가 보호 회로에 적용되면 TVS가 고장나서 접지에 대한 낮은 임피던스 경로를 제공하여 장치를 보호합니다. 고전압 및 전류로 인해 TVS를 통과하는 전류를 제한하여 TVS도 보호해야 합니다. 이는 전류를 접지로 분류하는 대신 차단하는 활성 고속 과전류 보호 요소인 TBU를 사용하여 수행할 수 있습니다. 직렬 요소로서 인터페이스 양단의 전압이 아닌 장치를 통과하는 전류에 반응합니다. TBU는 사전 설정된 전류 제한 및 고전압 내성 기능을 갖춘 고속 과전류 보호 장치입니다. 과전류가 발생하고 일시적인 이벤트로 인해 TVS가 고장 나면 TBU의 전류가 장치에서 설정한 전류 제한 수준까지 상승합니다. 이 시점에서 TBU는 1μs 미만의 서지에서 보호된 회로를 분리합니다. 나머지 과도 상태 동안 TBU는 보호된 회로를 통과하는 전류가 매우 적은 보호된 차단 상태를 유지합니다.
그림 5: TBU와 PTC(퓨즈)의 차이점
모든 과전류 보호 기술과 마찬가지로 TBU에는 항복 전압이 있으므로 주 보호 장치는 전압을 고정하고 과도 에너지를 접지로 전환해야 합니다. 이것은 일반적으로 가스 방전관 또는 고체 방전관(사이리스터) TISP와 같은 기술을 사용하여 달성됩니다. TISP는 기본 보호 장치 역할을 하며 미리 정의된 보호 전압이 초과되면 과도 개방 저임피던스 경로를 접지로 제공하여 대부분의 과도 에너지를 시스템 및 기타 보호 장치에서 전환합니다.
TISP의 비선형 전압-전류 특성은 생성된 전류를 전환하여 과전압을 제한합니다. 사이리스터로서 TISP는 고전압 영역과 저전압 영역 사이의 스위칭 동작에 의해 발생하는 불연속적인 전압-전류 특성을 갖는다. TISP 장치가 저전압 상태로 전환되기 전에 과도 에너지를 션트하기 위한 저임피던스 접지 경로가 있으며 사태 항복 영역이 클램핑 동작을 일으킵니다.
그림 6: TISP의 특성 곡선
과전압을 제한하는 과정에서 보호 회로는 잠시 고전압에 노출되므로 TISP 장치는 저전압 보호 개방 상태로 전환되기 전에 항복 영역에 있습니다. TBU는 이 고전압으로 인한 고전류로 인한 손상으로부터 백엔드 회로를 보호합니다. 전환된 전류가 임계값 아래로 떨어지면 TISP 장치가 자동으로 재설정되어 정상적인 시스템 작동을 재개합니다.
위의 세 가지 요소는 모두 함께 작동하여 시스템 입력/출력과 함께 고전압 및 고전류 과도 현상에 대한 시스템 수준 보호를 제공합니다.
그림 7: TVS, TBU 및 TISP가 함께 작동하여 더 많은 보호 기능 제공
세 번째 솔루션
보호 체계가 6kV 서지 과도 현상을 처리해야 하는 경우 체계를 약간 조정해야 합니다. 새로운 체계는 보호 체계 220와 유사하게 작동합니다. 하지만 이 회로는 TBU를 보호하기 위해 TISP 대신 GDT(가스 방전관)를 사용하여 5차 보호 장치인 TVS를 보호합니다. TISP와 비교하여 GDT는 가스 방전 원리를 채택하여 더 큰 과전압 및 과전류 스트레스로부터 보호할 수 있습니다. TISP의 정격 전류는 XNUMXA이고 GDT의 정격 전류는 XNUMXkA(단위 도체로 계산)입니다.
그림 8: GDT의 특성 곡선
GDT는 주로 기본 보호 장치로 사용되며 과전압 과도 현상으로부터 보호하기 위해 접지에 대한 낮은 임피던스 경로를 제공합니다. 과도 전압이 GDT 스파크오버 전압에 도달하면 GDT는 높은 임피던스 오프 상태에서 아크 모드로 전환됩니다. 아크 모드에서 GDT는 가상 단락 회로 역할을 하여 일시적인 개방 회로 전류 드레인 경로를 접지로 제공하고 일시적인 서지 전류를 보호 장치에서 멀리 전환합니다.
그림 9: TVS, TBU 및 GDT를 함께 사용하여 더 큰 과전압 및 과전류 스트레스를 견딜 수 있음
Excelpoint Shijian Company의 기술 지원 부서 부국장 Angus Zhao는 다음과 같이 결론을 내렸습니다. RS-485 포트용 EMC 솔루션에는 고유한 루틴이 있으며 보호가 따라야 하는 사양을 이해한 후 준수 설계를 만드는 것은 어렵지 않습니다. 회로 보호 장치의 특성에 익숙합니다.
그림 10: 485개의 RSXNUMX 포트에 대한 EMC 솔루션의 보호 수준 비교
Shijian Company는 또한 레벨 485 이상의 IEC6100-4-2 ESD, IEC61000-4-4 EFT, IEC61000-4-5 Surge EMS 안전 테스트를 통과할 수 있는 두 가지 고전적이고 실용적인 RS-4 포트 보호 솔루션을 출시했습니다.
솔루션 1: 3극 GDT TBU TVS 아키텍처 솔루션 채택
솔루션 2: 2극 GDT TBU TVS 아키텍처 솔루션 채택
