Gedetailleerde uitleg van RS-485-poortbeveiliging van principe tot daadwerkelijke meting

Update: 2 juni 2023

"In daadwerkelijke industriële, elektrische energie-, automatiserings- en instrumentatietoepassingen is de RS-485-busstandaard een van de veelgebruikte fysieke-laagbusontwerpstandaarden. Aangezien het werkt in zware elektromagnetische omgevingen, moeten deze datapoorten, om ervoor te zorgen dat ze in de finale kunnen worden geïnstalleerd, voldoen aan de relevante voorschriften voor elektromagnetische compatibiliteit (EMC) om goed in de omgeving te werken. Van het principe tot de daadwerkelijke meting, we brengen u een gedetailleerde analyse van de poortbeveiliging van RS485.

"

In daadwerkelijke industriële, elektrische energie-, automatiserings- en instrumentatietoepassingen is de RS-485-busstandaard een van de veelgebruikte fysieke-laagbusontwerpstandaarden. Aangezien het werkt in zware elektromagnetische omgevingen, moeten deze datapoorten, om ervoor te zorgen dat ze in de finale kunnen worden geïnstalleerd, voldoen aan de relevante voorschriften voor elektromagnetische compatibiliteit (EMC) om goed in de omgeving te werken. Van het principe tot de daadwerkelijke meting, we brengen u een gedetailleerde analyse van de poortbeveiliging van RS485.

Bij het EMC-ontwerp van de RS-485-poort moeten we ons concentreren op drie factoren: elektrostatische ontlading (ESD), elektrische snelle transiënt (EFT) en stroomstoot (Surge). De specificaties van de International Electrotechnical Commission (IEC) definiëren een reeks EMC-immuniteitseisen. Deze set specificaties bevat de volgende drie typen hoogwaardigespanning transiënten die ontwerpers nodig hebben om ervoor te zorgen dat datacommunicatielijnen niet worden beschadigd door deze transiënten.

De drie soorten zijn:

IEC 61000-4-2 Elektrostatische ontlading (ESD)
IEC 61000-4-4 Elektrische snelle transiënten (EFT)
IEC 61000-4-5 overspanningsimmuniteit (overspanning)

elektrostatische ontlading

Elektrostatische ontlading (ESD) verwijst naar de plotselinge overdracht van elektrostatische lading tussen twee geladen objecten met verschillende potentialen als gevolg van nauw contact of geleiding van een elektrisch veld. Het kenmerk is dat er een grotere stroom is in een kortere tijd. Het belangrijkste doel van de IEC 61000-4-2-test is het bepalen van de immuniteit van het systeem voor externe ESD-gebeurtenissen van het systeem tijdens het werkproces. IEC 61000-4-2 specificeert de spanningstestniveaus onder verschillende omgevingsomstandigheden, die zijn onderverdeeld in 4 niveaus. Graad 1 mild, graad 4 ernstig. Klasse 1 en 2 zijn geschikt voor producten die zijn geïnstalleerd in gecontroleerde omgevingen met antistatische materialen. Niveaus 3 en 4 zijn voor producten die zijn geïnstalleerd in zwaardere omgevingen waar ESD-gebeurtenissen met hogere spanningen vaker voorkomen.


Figuur 1: ESD-karakteristiek

Afbeelding 2: IEC 61000-4-2 ESD-testniveaus en installatiecategorieën

Snelle elektrische transiënten (bursts)

Elektrische snelle transiënten (EFT) testen de koppeling van grote aantallen extreem snelle transiënte pulsen op signaallijnen, de transiënte storingen die verband houden met systemen en externe schakelcircuits die capacitief kunnen worden gekoppeld aan communicatiepoorten. EFT liquidaties omvatten Relais en schakelcontactbounce, of transiënten als gevolg van inductieve of capacitieve belastingschakeling, die allemaal gebruikelijk zijn in industriële omgevingen. De EFT-test gedefinieerd in EC 61000-4-4 is bedoeld om de interferentie te simuleren die door deze gebeurtenissen wordt gegenereerd.


Figuur 3: EFT-karakteristiek

IEC 61000-4-4 specificeert de spanningstestniveaus onder verschillende omgevingsomstandigheden, die zijn onderverdeeld in 4 niveaus. Tegelijkertijd worden de testspanning en pulsherhalingsfrequentie gespecificeerd die overeenkomen met verschillende testniveaus.

• Niveau 1 duidt op een goed beveiligde omgeving
• Klasse 2 geeft een beschermde omgeving aan
• Klasse 3 geeft een typische industriële omgeving aan
• Klasse 4 voor zware industriële omgevingen


Afbeelding 4: IEC 61000-4-4 EFT-testniveaus

Golf

Spanningspieken worden meestal veroorzaakt door overspanningen veroorzaakt door schakelhandelingen of door blikseminslag. Schakeltransiënten kunnen worden veroorzaakt door het schakelen van het voedingssysteem, veranderingen in de belasting in het stroomdistributiesysteem of verschillende systeemstoringen. Blikseminslagen kunnen worden veroorzaakt door blikseminslag in de buurt, waardoor grote stromen en spanningen in de circuit. IEC 61000-4-5 definieert golfvormen, testmethoden en testniveaus voor het evalueren van de immuniteit van elektrische en elektronisch apparatuur wanneer gevoelig voor deze piekverschijnselen.


Figuur 5: Surge-karakteristiek

Het energieniveau van de piek kan drie tot vier ordes van grootte zijn dat van een ESD- of EFT-pulsenergieniveau. Daarom kunnen spanningspieken worden beschouwd als een serieuze categorie in de EMC-transiënte specificatie. Vanwege de overeenkomsten tussen ESD en EFT zijn de bijbehorende circuitbeveiligingsontwerpen ook vergelijkbaar, maar vanwege de hoge energie van de stroomstoot moet deze anders worden behandeld.

Angus Zhao, adjunct-directeur van de technische ondersteuningsafdeling van Excelpoint Shijian Company, zei: "Het proces van het ontwikkelen van EMC-beveiligingscircuits is om te voldoen aan de overeenkomstige vereisten van de bovenstaande drie soorten specificaties voor tijdelijke immuniteit volgens de daadwerkelijke toepassingsscenario's, terwijl de kosten worden gewaarborgd . Voordelen. Dit ogenschijnlijk gecompliceerde werk heeft eigenlijk zijn eigen principes en routines die gevolgd moeten worden.”

De overeenkomstige standaardvereisten van de RS-485-poort EMC-oplossing zijn eigenlijk de doelen die moeten worden bereikt door het ontwerp van het beveiligingscircuit. Om een ​​dergelijk doel te bereiken, heeft het zijn eigen ontwerpprincipes:

Er zijn twee belangrijke manieren om bescherming te bieden tegen transiënten: overstroombeveiliging wordt gebruikt om piekstroom te beperken; overspanningsbeveiliging wordt gebruikt om de piekspanning te beperken. Een typisch ontwerp van een beveiligingsschema omvat primaire bescherming en secundaire bescherming. Primaire bescherming leidt het grootste deel van de tijdelijke energie weg van het systeem en bevindt zich meestal op de interface tussen het systeem en de omgeving waar het de tijdelijke energie naar de aarde leidt, waardoor de meeste energie wordt verwijderd. Het doel van secundaire bescherming is het beschermen van de verschillende componenten van het systeem tegen tijdelijke spanningen en stromen die de primaire beveiliging toestaat. Secundaire bescherming is meestal meer gericht op specifieke componenten van het systeem dat wordt beschermd. Het is geoptimaliseerd om bescherming te bieden tegen deze resterende transiënten, terwijl deze gevoelige delen van het systeem nog steeds goed kunnen functioneren. Angus Zhao, adjunct-directeur van Excelpoint Shijian Technical Support Department, zei: “Deze twee methoden moeten ervoor zorgen dat het hoofdontwerp en het secundaire ontwerp samen kunnen werken met de systeeminvoer/uitvoer om de belasting van het beveiligde circuit te minimaliseren. Tegelijkertijd zal er in het ontwerp over het algemeen een coördinatie-element zijn tussen het primaire beveiligingsapparaat en het secundaire beveiligingsapparaat, zoals een Weerstand of een niet-lineair overstroombeveiligingsapparaat om de coördinatie te waarborgen.”


Afbeelding 1: architectuur van traditionele EMC-beveiligingsoplossingen

In overeenstemming met de bovenstaande specificatievereisten en ontwerpprincipes bieden we hieronder drie verschillende niveaus van EMC-beschermingsoplossingen, die allemaal de onafhankelijke EMC-compatibiliteitstest van derden hebben doorstaan. De componenten die in het schema worden gebruikt, zijn onder meer:
ADM3485EARZ 3.3 V RS-485-zendontvanger (ADI)
TVS transiënte spanningsonderdrukker CDSOT23-SM712 (Bourns)
TBU Transient Blockout-eenheid TBU-CA065-200-WH (Bourns)
TIST Thyristor Overspanningsbeveiliging TISP4240M3BJR-S (Bourns)
GDT Gasafvoerbuis 2038-15-SM-RPLF (Bourns)

Optie een

EFT- en ESD-transiënten hebben vergelijkbare energieniveaus, terwijl piekgolfvormen energieniveaus hebben die drie tot vier ordes van grootte hoger zijn. Bescherming tegen ESD en EFT kan op een vergelijkbare manier worden bereikt, terwijl beveiligingsoplossingen voor andere spanningspieken complexer zijn. Deze oplossing biedt Level 4 ESD en EFT en Level 2 overspanningsbeveiliging.

Deze oplossing maakt gebruik van de CDSOT23-SM712 TVS-array van Bourns, die twee bidirectionele TVS-diodes bevat. TVS's zijn op silicium gebaseerde apparaten. Onder normale bedrijfsomstandigheden heeft TVS een hoge impedantie naar aarde; idealiter is het een open circuit. De beveiligingsmethode is om de overspanning veroorzaakt door de overgang naar de spanningslimiet te klemmen. Dit wordt bereikt door de lawinedoorslag met lage impedantie van de PN-overgang. Wanneer een transiënte spanning groter dan de doorslagspanning van de TVS wordt gegenereerd, zal de TVS de transiënt vastklemmen tot een vooraf bepaald niveau dat lager is dan de doorslagspanning van het beveiligingsapparaat.

Het is belangrijk om ervoor te zorgen dat de doorslagspanning van de TVS buiten het normale werkbereik van de beschermde pin ligt. Het unieke kenmerk van de CDSOT23-SM712 is dat deze een asymmetrische doorslagspanning heeft van 13.3 V en C7.5 V, wat overeenkomt met het common-mode bereik van de transceiver van 12 V tot C7 V van de RS-485-chip ADM3485E, waardoor bescherming bieden terwijl de aarde wordt beperkt om overspanningsbelasting op de RS-485-transceiver te verminderen.


Afbeelding 2: CDSOT23-SM712 TVS-karakteristiek

Afbeelding 3: Beveiligingsschema op basis van TVS-array

Optie II

Als het niveau van overspanningsbeveiliging moet worden verhoogd, wordt het beveiligingscircuit ingewikkelder. In het tweede schema verhogen we het niveau van overspanningsbeveiliging naar niveau vier.

In dit schema wordt de secundaire bescherming geleverd door TVS (CDSOT23-SM712) en de hoofdbeveiliging door TISP (TISP4240M3BJR-S). Gerealiseerd door stroombeveiligingsapparaat TBU (TBU-CA065-200-WH).


Figuur 4: Karakteristieke curve van TBU

Wanneer transiënte energie wordt toegepast op het beveiligingscircuit, zal de TVS kapot gaan, waardoor het apparaat wordt beschermd door een pad met lage impedantie naar aarde te bieden. Vanwege de hoge spanning en stroom moet de TVS ook worden beschermd door de stroom die er doorheen gaat te beperken. Dit kan worden gedaan met behulp van een TBU, een actief high-speed overstroombeveiligingselement dat stroom blokkeert in plaats van deze naar aarde te shunten. Als serie-element reageert het op de stroom door het apparaat in plaats van op de spanning over de interface. TBU is een snelle overstroombeveiliging met vooraf ingestelde stroombegrenzing en weerstand tegen hoge spanning. Wanneer er een overstroom optreedt en de TVS uitvalt als gevolg van een voorbijgaande gebeurtenis, zal de stroom in de TBU stijgen tot het stroomlimietniveau dat door het apparaat is ingesteld. Op dit punt ontkoppelt de TBU het beschermde circuit van de stroomstoot in minder dan 1 μs. Gedurende de rest van de transiënt blijft de TBU in de beschermde blokkeerstatus met zeer weinig stroom door het beschermde circuit


Figuur 5: Verschillen tussen TBU en PTC (zekering)

Zoals alle overstroombeveiligingstechnieken, heeft de TBU een doorslagspanning, dus het hoofdbeveiligingsapparaat moet de spanning vasthouden en de voorbijgaande energie naar aarde leiden. Dit wordt meestal bereikt met behulp van technologieën zoals gasontladingsbuizen of solid-state ontladingsbuizen (thyristors) TISP's. De TISP fungeert als het belangrijkste beveiligingsapparaat en wanneer de vooraf gedefinieerde beveiligingsspanning wordt overschreden, biedt het een tijdelijk open pad met lage impedantie naar aarde, waardoor het grootste deel van de tijdelijke energie wordt weggeleid van het systeem en andere beveiligingsapparaten.

De niet-lineaire spanning-stroomkarakteristiek van TISP beperkt overspanning door de gegenereerde stroom om te leiden. Als thyristor heeft TISP een discontinue spanning-stroomkarakteristiek, die wordt veroorzaakt door een schakelactie tussen het hoogspanningsgebied en het laagspanningsgebied. Voordat het TISP-apparaat overschakelt naar een laagspanningstoestand, heeft het een aardingspad met lage impedantie om de transiënte energie te shunten, en het lawinedoorslaggebied veroorzaakt de klemwerking.


Figuur 6: Karakteristieke curve van TISP

Tijdens het proces van overspanningsbeperking wordt het beveiligde circuit kortstondig blootgesteld aan hoge spanning, dus het TISP-apparaat bevindt zich in het storingsgebied voordat het overschakelt naar de open toestand van de laagspanningsbeveiliging. De TBU beschermt de backend-circuits tegen schade als gevolg van de hoge stromen die door deze hoge spanning worden veroorzaakt. Wanneer de omgeleide stroom onder een kritieke waarde zakt, wordt het TISP-apparaat automatisch gereset om de normale systeemwerking te hervatten.

Alle drie de bovenstaande elementen werken samen om het systeem op systeemniveau te beschermen tegen transiënten van hoge spanning en hoge stroom in combinatie met de systeeminvoer/-uitvoer.


Afbeelding 7: TVS, TBU en TISP werken samen om meer bescherming te bieden

derde oplossing:

Als het beveiligingsschema een overspanning van 6 kV moet verwerken, zijn enkele aanpassingen aan het schema vereist. De nieuwe regeling werkt op dezelfde manier als beschermingsregeling twee; maar dit circuit gebruikt een gasontladingsbuis (GDT) in plaats van een TISP om de TBU te beschermen, waardoor het secundaire beveiligingsapparaat TVS wordt beschermd. In vergelijking met TISP past GDT het principe van gasontlading toe, wat bescherming kan bieden tegen grotere overspanning en overstroom. De nominale stroom van TISP is 220 A en de nominale stroom van GDT is 5 kA (berekend per eenheidsgeleider).


Figuur 8: Karakteristieke curve van GDT

GDT's worden voornamelijk gebruikt als primaire beveiligingsapparaten en bieden een pad met lage impedantie naar aarde om te beschermen tegen overspanningspieken. Wanneer de transiënte spanning de GDT-sponspanning bereikt, schakelt de GDT over van de hoogohmige uit-stand naar de boogmodus. In de boogmodus fungeert de GDT als een virtuele kortsluiting, waardoor een kortstondig open-circuit stroomafvoerpad naar de aarde wordt geleid, waardoor tijdelijke piekstromen weggeleid worden van het beschermde apparaat.


Afbeelding 9: Het gebruik van TVS, TBU en GDT om samen te werken, is bestand tegen grotere overspanning en overstroom

Angus Zhao, adjunct-directeur van de technische ondersteuningsafdeling van Excelpoint Shijian Company, concludeerde: de EMC-oplossing voor de RS-485-poort heeft zijn eigen routine en het is niet moeilijk om een ​​conform ontwerp te maken nadat u de specificaties begrijpt waaraan bescherming moet voldoen. en vertrouwd zijn met de kenmerken van circuitbeveiligingsapparaten.


Afbeelding 10: vergelijking van beschermingsniveaus van EMC-oplossingen voor drie RS485-poorten

Shijian Company introduceerde ook twee klassieke en praktische RS-485-poortbeveiligingsoplossingen, die IEC6100-4-2 ESD, IEC61000-4-4 EFT, IEC61000-4-5 Surge EMS-veiligheidstest boven niveau 4 kunnen doorstaan.

Oplossing 1: gebruik een 3-polige GDT TBU TVS-architectuuroplossing


Oplossing 2: gebruik een 2-polige GDT TBU TVS-architectuuroplossing

Bekijk meer : IGBT-modules | LCD-schermen | Elektronische Componenten