"Trong các ứng dụng công nghiệp, năng lượng điện, tự động hóa và thiết bị đo đạc thực tế, tiêu chuẩn bus RS-485 là một trong những tiêu chuẩn thiết kế bus lớp vật lý được sử dụng rộng rãi. Vì nó sẽ hoạt động trong môi trường điện từ khắc nghiệt nên để đảm bảo rằng các cổng dữ liệu này có thể được cài đặt hoàn thiện để hoạt động bình thường trong môi trường, chúng phải tuân thủ các quy định về tương thích điện từ (EMC) có liên quan. Từ nguyên tắc đến phép đo thực tế, chúng tôi sẽ mang đến cho bạn một phân tích chi tiết về khả năng bảo vệ cổng của RS485.
"
Trong các ứng dụng công nghiệp, năng lượng điện, tự động hóa và thiết bị đo đạc thực tế, tiêu chuẩn bus RS-485 là một trong những tiêu chuẩn thiết kế bus lớp vật lý được sử dụng rộng rãi. Vì nó sẽ hoạt động trong môi trường điện từ khắc nghiệt nên để đảm bảo rằng các cổng dữ liệu này có thể được cài đặt hoàn thiện để hoạt động bình thường trong môi trường, chúng phải tuân thủ các quy định về tương thích điện từ (EMC) có liên quan. Từ nguyên tắc đến phép đo thực tế, chúng tôi sẽ mang đến cho bạn một phân tích chi tiết về khả năng bảo vệ cổng của RS485.
Trong thiết kế EMC của cổng RS-485, chúng ta cần chú trọng đến XNUMX yếu tố: phóng điện tĩnh điện (ESD), quá độ điện nhanh (EFT) và đột biến (Surge). Thông số kỹ thuật của Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC) xác định một tập hợp các yêu cầu miễn nhiễm EMC. Bộ thông số kỹ thuật này bao gồm ba loại thông số kỹ thuật cao sau đâyVôn các quá độ mà các nhà thiết kế cần đảm bảo rằng các đường truyền dữ liệu không bị hư hại bởi các quá độ này.
Ba loại là:
Xả tĩnh điện (ESD) theo tiêu chuẩn IEC 61000-4-2
Quá độ điện nhanh (EFT) theo tiêu chuẩn IEC 61000-4-4
Khả năng chống sét lan truyền theo tiêu chuẩn IEC 61000-4-5 (Surge)
xả tĩnh điện
Phóng điện tĩnh điện (ESD) đề cập đến sự truyền điện tích tĩnh điện đột ngột giữa hai vật tích điện có điện thế khác nhau do tiếp xúc gần hoặc dẫn điện. Đặc điểm của nó là có dòng điện lớn hơn trong thời gian ngắn hơn. Mục đích chính của phép thử IEC 61000-4-2 là xác định khả năng miễn nhiễm của hệ thống đối với các sự kiện ESD bên ngoài của hệ thống trong quá trình làm việc. IEC 61000-4-2 quy định các mức thử nghiệm điện áp trong các điều kiện môi trường khác nhau, được chia thành 4 mức. Cấp 1 nhẹ, cấp 4 nặng. Loại 1 và 2 phù hợp với các sản phẩm được lắp đặt trong môi trường được kiểm soát bằng vật liệu chống tĩnh điện. Cấp độ 3 và 4 dành cho các sản phẩm được lắp đặt trong môi trường khắc nghiệt hơn, nơi thường xảy ra các sự cố ESD với điện áp cao hơn.
Hình 1: Đường đặc tính ESD
Hình 2: Các cấp độ thử nghiệm ESD và danh mục lắp đặt theo tiêu chuẩn IEC 61000-4-2
Quá độ điện nhanh (vụ nổ)
Quá độ điện nhanh (EFT) kiểm tra việc ghép một số lượng lớn các xung nhất thời cực nhanh vào các đường tín hiệu, các nhiễu nhất thời liên quan đến các hệ thống và mạch chuyển mạch bên ngoài có thể được ghép điện dung với các cổng giao tiếp. EFT kết thúc bao gồm Đặt lại và độ nảy của tiếp điểm công tắc, hoặc quá độ do chuyển mạch tải điện cảm hoặc điện dung, tất cả đều phổ biến trong môi trường công nghiệp. Thử nghiệm EFT được định nghĩa trong EC 61000-4-4 là mô phỏng nhiễu do các sự kiện này tạo ra.
Hình 3: Đường cong đặc tính EFT
IEC 61000-4-4 quy định các mức thử nghiệm điện áp trong các điều kiện môi trường khác nhau, được chia thành 4 mức. Đồng thời, điện áp thử nghiệm và tốc độ lặp lại xung tương ứng với các mức thử nghiệm khác nhau được chỉ định.
• Cấp độ 1 cho biết môi trường được bảo vệ tốt
• Lớp 2 biểu thị môi trường được bảo vệ
• Loại 3 chỉ môi trường công nghiệp điển hình
• Class 4 cho môi trường công nghiệp khắc nghiệt
Hình 4: Các mức kiểm tra EFT theo tiêu chuẩn IEC 61000-4-4
Tăng
Đột biến thường do tình trạng quá điện áp gây ra bởi hoạt động chuyển mạch hoặc do sét đánh. Quá độ chuyển mạch có thể do chuyển mạch hệ thống điện, thay đổi tải trong hệ thống phân phối điện hoặc các lỗi hệ thống khác nhau. Quá độ sét có thể được gây ra bởi sét đánh gần đó gây ra dòng điện và điện áp lớn được đưa vào mạch. IEC 61000-4-5 xác định dạng sóng, phương pháp thử nghiệm và mức độ thử nghiệm để đánh giá khả năng miễn nhiễm của điện và điện tử thiết bị khi dễ bị các hiện tượng đột biến này.
Hình 5: Đường cong đặc tính đột biến
Mức năng lượng của sự đột biến có thể bằng ba đến bốn bậc độ lớn của mức năng lượng xung ESD hoặc EFT. Do đó, đột biến có thể được coi là một loại nghiêm trọng trong đặc điểm kỹ thuật nhất thời của EMC. Do sự tương đồng giữa ESD và EFT, các thiết kế bảo vệ mạch tương ứng cũng tương tự nhau, nhưng do năng lượng đột biến cao nên nó phải được xử lý theo cách khác.
Angus Zhao, Phó Giám đốc Bộ phận Hỗ trợ Kỹ thuật của Công ty Excelpoint Shijian, cho biết: “Quá trình phát triển các mạch bảo vệ EMC nhằm đáp ứng các yêu cầu tương ứng của ba loại thông số kỹ thuật miễn nhiễm thoáng qua trên theo các kịch bản ứng dụng thực tế, đồng thời đảm bảo chi phí . Những lợi ích. Công việc có vẻ phức tạp này thực ra có những nguyên tắc và quy trình riêng cần tuân theo.”
Các yêu cầu tiêu chuẩn tương ứng của giải pháp EMC cổng RS-485 thực sự là mục tiêu cần đạt được của thiết kế mạch bảo vệ. Để đạt được mục tiêu như vậy, nó có các nguyên tắc thiết kế riêng:
Có hai cách chính để cung cấp bảo vệ chống quá độ: bảo vệ quá dòng được sử dụng để hạn chế dòng điện cực đại; bảo vệ quá áp được sử dụng để hạn chế điện áp đỉnh. Một thiết kế sơ đồ bảo vệ điển hình bao gồm bảo vệ chính và bảo vệ thứ cấp. Bảo vệ sơ cấp chuyển phần lớn năng lượng nhất thời ra khỏi hệ thống và thường được đặt ở giao diện giữa hệ thống và môi trường nơi nó chuyển hướng năng lượng nhất thời xuống trái đất, do đó loại bỏ phần lớn năng lượng. Mục đích của bảo vệ thứ cấp là để bảo vệ các các thành phần của hệ thống khỏi bất kỳ điện áp và dòng điện nhất thời nào mà bảo vệ sơ cấp cho phép. Bảo vệ thứ cấp thường tập trung hơn vào các thành phần cụ thể của hệ thống được bảo vệ. Nó được tối ưu hóa để đảm bảo bảo vệ chống lại các quá độ còn lại này trong khi vẫn cho phép các bộ phận nhạy cảm này của hệ thống hoạt động bình thường. Angus Zhao, phó giám đốc bộ phận hỗ trợ kỹ thuật của Excelpoint Shijian, cho biết: “Hai phương pháp này phải đảm bảo rằng thiết kế chính và thiết kế phụ có thể phối hợp với nhau với đầu vào/đầu ra của hệ thống để giảm thiểu áp lực lên mạch được bảo vệ. Đồng thời trong thiết kế, Nói chung, sẽ có một yếu tố phối hợp giữa thiết bị bảo vệ chính và thiết bị bảo vệ thứ cấp, chẳng hạn như một Điện trở hoặc một thiết bị bảo vệ quá dòng phi tuyến, để đảm bảo sự phối hợp.”
Hình 1: Kiến trúc giải pháp bảo vệ EMC truyền thống
Theo các yêu cầu đặc điểm kỹ thuật và nguyên tắc thiết kế ở trên, chúng tôi cung cấp ba cấp giải pháp bảo vệ EMC khác nhau bên dưới, tất cả đều đã vượt qua bài kiểm tra khả năng tương thích EMC độc lập của bên thứ ba. Các thành phần được sử dụng trong sơ đồ bao gồm:
ADM3485EARZ 3.3 V Bộ thu phát RS-485 (ADI)
Bộ triệt áp quá độ TVS CDSOT23-SM712 (Bourns)
Bộ chặn tạm thời TBU TBU-CA065-200-WH (Bourns)
Bộ chống sét điện trở TIST TISP4240M3BJR-S (Bourns)
Ống xả khí GDT 2038-15-SM-RPLF (Bourns)
Lựa chọn thứ nhất
Quá độ EFT và ESD có mức năng lượng tương tự nhau, trong khi dạng sóng đột biến có mức năng lượng cao hơn từ ba đến bốn bậc độ lớn. Việc bảo vệ chống lại ESD và EFT có thể được thực hiện theo cách tương tự, trong khi các giải pháp bảo vệ cho các xung đột biến khác thì phức tạp hơn. Giải pháp này cung cấp khả năng chống sét lan truyền cấp 4 và ESD và EFT và cấp 2.
Giải pháp này sử dụng mảng TVS CDSOT23-SM712 của Bourns, bao gồm hai điốt TVS hai chiều. TVS là thiết bị dựa trên silicon. Trong điều kiện hoạt động bình thường, TVS có trở kháng cao với đất; lý tưởng nó là một mạch mở. Phương pháp bảo vệ là kẹp quá điện áp gây ra bởi quá độ đến giới hạn điện áp. Điều này đạt được thông qua sự cố đánh thủng tuyết lở trở kháng thấp của điểm nối PN. Khi điện áp thoáng qua lớn hơn điện áp đánh thủng của TVS được tạo ra, TVS sẽ kẹp điện áp nhất thời ở mức định trước nhỏ hơn điện áp đánh thủng của thiết bị bảo vệ, chỉ cần
Điều quan trọng là phải đảm bảo rằng điện áp đánh thủng của TVS nằm ngoài phạm vi hoạt động bình thường của chân được bảo vệ. Tính năng độc đáo của CDSOT23-SM712 là nó có điện áp đánh thủng không đối xứng là 13.3 V và C7.5 V, phù hợp với dải chế độ chung của bộ thu phát từ 12 V đến C7 V của chip RS-485 ADM3485E, do đó cung cấp khả năng bảo vệ đồng thời hạn chế tiếp đất để giảm ứng suất quá áp trên bộ thu phát RS-485.
Hình 2: Đường cong đặc trưng của CDSOT23-SM712 TVS
Hình 3: Sơ đồ bảo vệ dựa trên mảng TVS
Phương án II
Nếu tăng mức độ chống sét lan truyền thì mạch bảo vệ sẽ trở nên phức tạp hơn. Trong sơ đồ thứ hai, chúng tôi tăng mức bảo vệ đột biến lên cấp bốn.
Trong sơ đồ này, bảo vệ thứ cấp được cung cấp bởi TVS (CDSOT23-SM712) và bảo vệ chính được cung cấp bởi TISP (TISP4240M3BJR-S). Được thực hiện bởi thiết bị bảo vệ dòng điện TBU (TBU-CA065-200-WH).
Hình 4: Đường đặc tính của TBU
Khi năng lượng nhất thời được áp dụng cho mạch bảo vệ, TVS sẽ bị hỏng, bảo vệ thiết bị bằng cách cung cấp đường dẫn trở kháng thấp xuống đất. Do điện áp và dòng điện cao, TVS cũng phải được bảo vệ bằng cách hạn chế dòng điện đi qua nó. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng TBU, một phần tử bảo vệ quá dòng tốc độ cao đang hoạt động để chặn dòng điện thay vì chuyển dòng điện xuống đất. Là một phần tử nối tiếp, nó phản ứng với dòng điện qua thiết bị hơn là điện áp trên giao diện. TBU là thiết bị bảo vệ quá dòng tốc độ cao với giới hạn dòng định sẵn và khả năng chịu điện áp cao. Khi xảy ra quá dòng và TVS bị hỏng do sự cố thoáng qua, dòng điện trong TBU sẽ tăng lên mức giới hạn hiện tại do thiết bị đặt. Tại thời điểm này, TBU ngắt kết nối mạch được bảo vệ khỏi đột biến trong vòng chưa đầy 1 μs. Trong thời gian còn lại của quá độ, TBU vẫn ở trạng thái chặn được bảo vệ với rất ít dòng điện chạy qua mạch được bảo vệ
Hình 5: Sự khác biệt giữa TBU và PTC (Cầu chì)
Giống như tất cả các kỹ thuật bảo vệ quá dòng, TBU có điện áp đánh thủng, vì vậy thiết bị bảo vệ chính phải kẹp điện áp và chuyển hướng năng lượng tạm thời xuống đất. Điều này thường đạt được bằng cách sử dụng các công nghệ như ống phóng khí hoặc ống phóng điện trạng thái rắn (thyristor) TISP. TISP đóng vai trò là thiết bị bảo vệ chính và khi điện áp bảo vệ được xác định trước của nó bị vượt quá, nó sẽ cung cấp một đường dẫn trở kháng thấp mở tạm thời xuống đất, chuyển phần lớn năng lượng nhất thời ra khỏi hệ thống và các thiết bị bảo vệ khác.
Đặc tính dòng điện-điện áp phi tuyến tính của TISP hạn chế quá điện áp bằng cách chuyển hướng dòng điện được tạo ra. Là một thyristor, TISP có đặc tính dòng điện-điện áp không liên tục, gây ra bởi hoạt động chuyển đổi giữa vùng điện áp cao và vùng điện áp thấp. Trước khi thiết bị TISP chuyển sang trạng thái điện áp thấp, nó có một đường nối đất có trở kháng thấp để ngắt dòng năng lượng nhất thời và vùng sự cố tuyết lở gây ra tác động kẹp.
Hình 6: Đường cong đặc trưng của TISP
Trong quá trình hạn chế quá điện áp, mạch được bảo vệ tiếp xúc với điện áp cao trong thời gian ngắn, vì vậy thiết bị TISP nằm trong vùng đánh thủng trước khi chuyển sang trạng thái mở bảo vệ điện áp thấp. TBU sẽ bảo vệ mạch phụ trợ khỏi hư hỏng do dòng điện cao gây ra bởi điện áp cao này. Khi dòng điện chuyển hướng giảm xuống dưới một giá trị tới hạn, thiết bị TISP sẽ tự động đặt lại để tiếp tục hoạt động bình thường của hệ thống.
Cả ba yếu tố trên hoạt động cùng nhau để cung cấp khả năng bảo vệ cấp hệ thống cho hệ thống chống lại các quá độ điện áp cao và dòng điện cao kết hợp với đầu vào/đầu ra của hệ thống.
Hình 7: TVS, TBU và TISP phối hợp với nhau để cung cấp nhiều biện pháp bảo vệ hơn
giải pháp thứ ba
Nếu sơ đồ bảo vệ cần xử lý xung đột biến 6 kV, thì sẽ cần một số điều chỉnh đối với sơ đồ. Sơ đồ mới hoạt động tương tự như sơ đồ bảo vệ hai; nhưng mạch này dùng ống xả khí (GDT) thay vì TISP để bảo vệ TBU, qua đó bảo vệ thiết bị bảo vệ phụ TVS. So với TISP, GDT sử dụng nguyên lý xả khí, có thể bảo vệ chống quá áp và quá dòng lớn hơn. Dòng điện định mức của TISP là 220 A và dòng điện định mức của GDT là 5 kA (tính theo dây dẫn đơn vị).
Hình 8: Đường đặc tính của GDT
GDT chủ yếu được sử dụng làm thiết bị bảo vệ chính, cung cấp đường dẫn trở kháng thấp xuống đất để bảo vệ chống quá điện áp quá độ. Khi điện áp quá độ đạt đến điện áp đánh lửa GDT, GDT sẽ chuyển từ trạng thái tắt trở kháng cao sang chế độ phóng điện hồ quang. Ở chế độ hồ quang, GDT hoạt động như một mạch ngắn ảo, cung cấp một đường thoát dòng hở mạch thoáng qua xuống đất, chuyển dòng điện tăng vọt thoáng qua ra khỏi thiết bị được bảo vệ.
Hình 9: Sử dụng TVS, TBU, GDT phối hợp với nhau có thể chịu được ứng suất quá áp và quá dòng lớn hơn
Angus Zhao, phó giám đốc bộ phận hỗ trợ kỹ thuật của Công ty Excelpoint Shijian, kết luận: Giải pháp EMC cho cổng RS-485 có quy trình riêng và không khó để tạo ra một thiết kế phù hợp sau khi hiểu các thông số kỹ thuật mà bảo vệ cần tuân theo. và làm quen với các đặc tính của thiết bị bảo vệ mạch.
Hình 10: So sánh mức độ bảo vệ của các giải pháp EMC cho 485 cổng RSXNUMX
Công ty Shijian cũng giới thiệu hai giải pháp bảo vệ cổng RS-485 cổ điển và thiết thực, có thể vượt qua bài kiểm tra an toàn IEC6100-4-2 ESD, IEC61000-4-4 EFT, IEC61000-4-5 Surge EMS trên cấp 4.
Giải pháp 1: Áp dụng giải pháp kiến trúc GDT TBU TVS 3 cực
Giải pháp 2: Áp dụng giải pháp kiến trúc GDT TBU TVS 2 cực
Xem thêm : Mô-đun IGBT | Màn hình LCD | Linh kiện điện tử