В реальных промышленных приложениях, электроэнергетике, автоматизации и контрольно-измерительных приборах стандарт шины RS-485 является одним из широко используемых стандартов проектирования шин физического уровня. Поскольку он будет работать в суровых электромагнитных условиях, чтобы гарантировать, что эти порты данных могут быть установлены в конечном итоге. Для правильной работы в окружающей среде они должны соответствовать соответствующим правилам электромагнитной совместимости (ЭМС). От принципа до фактического измерения мы предоставим вам подробный анализ защиты порта RS485.
В реальных промышленных приложениях, электроэнергетике, автоматизации и контрольно-измерительных приборах стандарт шины RS-485 является одним из широко используемых стандартов проектирования шин физического уровня. Поскольку он будет работать в суровых электромагнитных условиях, чтобы гарантировать, что эти порты данных могут быть установлены в конечном итоге. Для правильной работы в окружающей среде они должны соответствовать соответствующим правилам электромагнитной совместимости (ЭМС). От принципа до фактического измерения мы предоставим вам подробный анализ защиты порта RS485.
При проектировании ЭМС порта RS-485 нам необходимо сосредоточиться на трех факторах: электростатическом разряде (ЭСР), электрических быстрых переходных процессах (EFT) и скачке напряжения (Surge). Спецификации Международной электротехнической комиссии (МЭК) определяют набор требований к электромагнитной совместимости. Этот набор спецификаций включает в себя следующие три типанапряжение переходные процессы, которые проектировщики должны гарантировать, что линии передачи данных не будут повреждены этими переходными процессами.
Вот три типа:
IEC 61000-4-2 Электростатический разряд (ESD)
IEC 61000-4-4 Быстрые электрические переходные процессы (EFT)
IEC 61000-4-5 Устойчивость к импульсным перенапряжениям (броски напряжения)
электростатический разряд
Электростатический разряд (ЭСР) относится к внезапной передаче электростатического заряда между двумя заряженными объектами с разными потенциалами из-за тесного контакта или проводимости электрического поля. Его характеристика заключается в том, что за более короткое время возникает больший ток. Основной целью теста IEC 61000-4-2 является определение устойчивости системы к внешним электростатическим разрядам системы во время рабочего процесса. IEC 61000-4-2 определяет уровни испытаний напряжения в различных условиях окружающей среды, которые подразделяются на 4 уровня. 1 степень легкая, 4 степень тяжелая. Классы 1 и 2 подходят для продуктов, установленных в контролируемых условиях с использованием антистатических материалов. Уровни 3 и 4 предназначены для продуктов, установленных в более суровых условиях, где чаще случаются электростатические разряды с более высоким напряжением.
Рисунок 1: Характеристическая кривая электростатического разряда
Рис. 2. Уровни испытаний на электростатический разряд согласно IEC 61000-4-2 и категории установки
Электрические быстрые переходные процессы (всплески)
Электрические быстрые переходные процессы (EFT) проверяют связь большого количества чрезвычайно быстрых переходных импульсов с сигнальными линиями, переходные помехи, связанные с системами и внешними коммутационными схемами, которые могут быть емкостно связаны с портами связи. EFT включает в себя Реле и дребезг контактов переключателя или переходные процессы из-за индуктивной или емкостной коммутации нагрузки, все из которых распространены в промышленных условиях. Тест EFT, определенный в EC 61000-4-4, предназначен для имитации помех, создаваемых этими событиями.
Рисунок 3: Характеристическая кривая EFT
IEC 61000-4-4 определяет уровни испытаний напряжения в различных условиях окружающей среды, которые подразделяются на 4 уровня. При этом задаются испытательное напряжение и частота следования импульсов, соответствующие разным уровням испытаний.
• Уровень 1 указывает на хорошо защищенную среду
• Класс 2 указывает на защищенную среду
• Класс 3 указывает на типичную промышленную среду.
• Класс 4 для суровых промышленных условий.
Рисунок 4: Уровни тестирования EFT IEC 61000-4-4
Волны
Перенапряжения обычно вызываются условиями перенапряжения, вызванными операциями переключения или ударами молнии. Переходные процессы переключения могут быть вызваны переключением энергосистемы, изменениями нагрузки в системе распределения электроэнергии или различными неисправностями системы. Грозовые переходные процессы могут быть вызваны близлежащими ударами молнии, в результате чего в сеть подаются большие токи и напряжения. схема. IEC 61000-4-5 определяет формы сигналов, методы испытаний и уровни испытаний для оценки помехоустойчивости электрических и Электронный оборудования, когда оно восприимчиво к этим явлениям перенапряжения.
Рис. 5: Характеристика перенапряжения
Уровень энергии всплеска может быть на три-четыре порядка больше, чем уровень энергии импульса ESD или EFT. Следовательно, выбросы напряжения можно рассматривать как серьезную категорию в спецификации переходных процессов ЭМС. Из-за сходства между ESD и EFT соответствующие конструкции защиты цепей также похожи, но из-за высокой энергии перенапряжения с ними нужно обращаться по-разному.
Ангус Чжао, заместитель директора отдела технической поддержки компании Excelpoint Shijian, сказал: «Процесс разработки схем защиты от ЭМС должен соответствовать требованиям трех вышеупомянутых спецификаций устойчивости к переходным процессам в соответствии с реальными сценариями применения, обеспечивая при этом стоимость. . Преимущества. В этой, казалось бы, сложной работе на самом деле есть свои принципы и процедуры, которым нужно следовать».
Соответствующие стандартные требования решения ЭМС порта RS-485 на самом деле являются целями, которые должны быть достигнуты при проектировании схемы защиты. Для достижения такой цели у него есть свои принципы проектирования:
Существует два основных способа обеспечения защиты от переходных процессов: защита от перегрузки по току используется для ограничения пикового тока; защита от перенапряжения используется для ограничения пикового напряжения. Типовая схема защиты включает в себя первичную и вторичную защиту. Первичная защита отводит большую часть переходной энергии от системы и обычно расположена на границе между системой и окружающей средой, где она отводит переходную энергию на землю, тем самым удаляя большую часть энергии. Целью вторичной защиты является защита различных компоненты системы от любых переходных напряжений и токов, которые допускает первичная защита. Вторичная защита обычно больше ориентирована на конкретные компоненты защищаемой системы. Он оптимизирован для обеспечения защиты от этих остаточных переходных процессов, при этом позволяя этим чувствительным частям системы функционировать должным образом. Ангус Чжао, заместитель директора отдела технической поддержки Excelpoint Shijian, сказал: «Эти два метода должны гарантировать, что основная и вторичная конструкции могут взаимодействовать с вводом/выводом системы вместе, чтобы минимизировать нагрузку на защищенную цепь. В то же время в конструкции, как правило, будет элемент координации между устройством первичной защиты и устройством вторичной защиты, такой как резистор или нелинейное устройство защиты от перегрузки по току, чтобы обеспечить координацию».
Рис. 1. Архитектура традиционного решения EMC для защиты
В соответствии с указанными выше техническими требованиями и принципами проектирования мы предлагаем три различных уровня решений по защите от электромагнитной совместимости (см. ниже), все из которых прошли независимое тестирование на совместимость с электромагнитной совместимостью. Компоненты, используемые в схеме, включают в себя:
ADM3485EARZ Приемопередатчик RS-3.3 485 В (ADI)
Подавитель переходного напряжения TVS CDSOT23-SM712 (Bourns)
Устройство блокирования переходных процессов TBU TBU-CA065-200-WH (Bourns)
Тиристорный стабилизатор напряжения TIST TISP4240M3BJR-S (Bourns)
Трубка газоразрядная ГДТ 2038-15-SM-RPLF (Bourns)
Один вариант
Переходные процессы EFT и ESD имеют одинаковые уровни энергии, в то время как импульсные волны имеют уровни энергии на три-четыре порядка выше. Аналогичным образом может быть реализована защита от ESD и EFT, в то время как решения по защите от других перенапряжений более сложны. Это решение обеспечивает защиту от электростатического разряда и электростатического разряда уровня 4 и защиты от перенапряжений уровня 2.
В этом решении используется TVS-матрица CDSOT23-SM712 компании Bourns, которая включает в себя два двунаправленных TVS-диода. TVS — это устройства на основе кремния. В нормальных условиях эксплуатации TVS имеет большое сопротивление относительно земли; в идеале это открытая цепь. Метод защиты заключается в фиксации перенапряжения, вызванного переходным процессом, до предела напряжения. Это достигается за счет лавинного пробоя PN-перехода с низким импедансом. Когда генерируется переходное напряжение, превышающее напряжение пробоя TVS, TVS будет ограничивать переходный процесс до заданного уровня, меньшего, чем напряжение пробоя устройства защиты, просто
Важно следить за тем, чтобы напряжение пробоя ТВС не выходило за пределы нормального рабочего диапазона защищаемого вывода. Уникальной особенностью CDSOT23-SM712 является то, что он имеет несимметричное напряжение пробоя 13.3 В и С7.5 В, что соответствует синфазному диапазону трансивера от 12 В до С7 В микросхемы RS-485 ADM3485E, тем самым обеспечение защиты при ограничении заземления для снижения перенапряжения приемопередатчика RS-485.
Рисунок 2: Характеристическая кривая CDSOT23-SM712 TVS
Рисунок 3: Схема защиты на основе массива TVS
Вариант II
Если необходимо повысить уровень защиты от перенапряжения, схема защиты усложнится. Во второй схеме повышаем уровень защиты от перенапряжений до четвертого.
В этой схеме вторичную защиту обеспечивает TVS (CDSOT23-SM712), а основную — TISP (TISP4240M3BJR-S). Осуществляется устройством токовой защиты TBU (TBU-CA065-200-WH).
Рисунок 4: Характеристическая кривая TBU
Когда энергия переходного процесса подается на схему защиты, TVS выходит из строя, защищая устройство, обеспечивая путь к земле с низким импедансом. В связи с высоким напряжением и током TVS также необходимо защищать, ограничивая ток, проходящий через него. Это можно сделать с помощью TBU, активного элемента быстродействующей защиты от перегрузки по току, который блокирует ток, а не шунтирует его на землю. Как последовательный элемент, он реагирует на ток через устройство, а не на напряжение на интерфейсе. TBU — это быстродействующее устройство защиты от перегрузки по току с предустановленным ограничением тока и способностью выдерживать высокое напряжение. При возникновении перегрузки по току и выходе из строя TVS из-за переходного процесса ток в TBU повысится до уровня предельного тока, установленного устройством. В этот момент TBU отключает защищенную цепь от перенапряжения менее чем за 1 мкс. В течение оставшейся части переходного процесса TBU остается в защищенном заблокированном состоянии с очень небольшим током через защищаемую цепь.
Рисунок 5: Различия между TBU и PTC (предохранитель)
Как и все методы защиты от перегрузки по току, TBU имеет напряжение пробоя, поэтому основное устройство защиты должно ограничивать напряжение и перенаправлять энергию переходных процессов на землю. Обычно это достигается с помощью таких технологий, как газоразрядные трубки или твердотельные разрядные трубки (тиристоры) TISP. TISP действует как основное защитное устройство, и при превышении заданного защитного напряжения он обеспечивает переходный открытый путь с низким импедансом на землю, отводя большую часть переходной энергии от системы и других защитных устройств.
Нелинейная вольтамперная характеристика TISP ограничивает перенапряжение, отводя генерируемый ток. Как тиристор, ТИСП имеет прерывистую вольт-амперную характеристику, которая вызвана переключением между областью высокого напряжения и областью низкого напряжения. Перед тем, как устройство TISP переключится в состояние низкого напряжения, оно имеет низкоимпедансный путь заземления для шунтирования переходной энергии, а область лавинного пробоя вызывает действие зажима.
Рисунок 6: Характеристическая кривая TISP
В процессе ограничения перенапряжения на защищаемую цепь кратковременно воздействует высокое напряжение, поэтому устройство ТИСП находится в области пробоя до перехода в состояние разомкнутой защиты по пониженному напряжению. TBU защитит внутреннюю схему от повреждения из-за высоких токов, вызванных этим высоким напряжением. Когда отведенный ток падает ниже критического значения, устройство TISP автоматически перезагружается, чтобы возобновить нормальную работу системы.
Все три вышеупомянутых элемента работают вместе, чтобы обеспечить защиту системы на системном уровне от переходных процессов высокого напряжения и сильного тока в сочетании с системным вводом/выводом.
Рисунок 7: TVS, TBU и TISP работают вместе, чтобы обеспечить большую защиту
третье решение
Если схема защиты должна справляться с переходным процессом 6 кВ, потребуются некоторые корректировки схемы. Новая схема работает аналогично второй схеме защиты; но в этой схеме используется газоразрядная трубка (ГРТ) вместо ТИСП для защиты ТБУ, тем самым защищая устройство вторичной защиты ТВС. По сравнению с TISP, GDT использует принцип газового разряда, который может обеспечить защиту от больших перенапряжений и перегрузок по току. Номинальный ток ТИСП 220 А, номинальный ток ГДТ 5 кА (в расчете на единичный проводник).
Рисунок 8: Характеристическая кривая GDT
GDT в основном используются в качестве устройств первичной защиты, обеспечивая путь к земле с низким импедансом для защиты от переходных процессов перенапряжения. Когда переходное напряжение достигает напряжения пробоя GDT, GDT переключается из высокоимпедансного выключенного состояния в режим дугового разряда. В дуговом режиме GDT действует как виртуальное короткое замыкание, обеспечивая путь отвода переходного тока холостого хода на землю, отводя переходные импульсные токи от защищаемого устройства.
Рис. 9. Совместная работа TVS, TBU и GDT позволяет выдерживать большее перенапряжение и перегрузку по току
Ангус Чжао, заместитель директора отдела технической поддержки компании Excelpoint Shijian, пришел к выводу: решение EMC для порта RS-485 имеет свою собственную процедуру, и несложно разработать соответствующий проект после понимания спецификаций, которым должна следовать защита, и знакомство с характеристиками устройств защиты цепи.
Рисунок 10: Сравнение уровней защиты решений EMC для трех портов RS485
Компания Shijian также представила два классических и практичных решения для защиты порта RS-485, которые могут пройти тест безопасности IEC6100-4-2 ESD, IEC61000-4-4 EFT, IEC61000-4-5 Surge EMS выше уровня 4.
Решение 1. Использование трехполюсной архитектуры GDT TBU TVS
Решение 2. Использование трехполюсной архитектуры GDT TBU TVS
Посмотреть больше: Модули IGBT | ЖК-дисплеи | Электронные компоненты