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?2013AnalogDevices,Inc.保留所有权利。
内容提要
技术文章
MS-2443
保护RS-485通信网络不受有害
EMC事件影响
作者：JamesScanlon，ADI公司高级评估工程师；
KoenraadRutgers，Bourns,Inc.高级现场应用工程师
在实际工业和仪器仪表(I&I)应用中，RS-485接口链路
需要在恶劣电磁环境下工作。雷击、静电放电和其他
电磁现象引起的大瞬变电压可能损坏通信端口。为了
确保这些数据端口能够在最终安装环境中正常工作，
它们必须符合某些电磁兼容性(EMC)法规。
这些要求包括三个主要瞬变抗扰度标准：静电放电、
电快速瞬变和电涌。
许多EMC问题并不简单或明显，因此必须在产生设计
开始时予以考虑。如果把这些问题留到设计周期后期
去解决，可能导致工程预算和计划超限。
本文介绍各主要瞬变类型，并针对RS-485通信端口的三
种不同成本/保护级别，提出并演示三种不同的EMC兼
容解决方案。
ADI公司和Bourns,Inc.携手合作，共同开发了业界首个
EMC兼容RS-485接口设计工具，提供针对IEC61000-4-2
ESD、IEC61000-4-4EFT和IEC61000-4-5电涌的四级保
护，从而扩展面向系统的解决方案组合。它根据所需保
护级别和可用预算为设计人员提供相应的设计选项。借
助这些设计工具，设计人员可在设计周期之初考虑
EMC问题，从而降低该问题导致的项目延误风险。
RS-485标准
工业与仪器仪表(I&I)应用常常需要在距离很远的多个系
统之间传输数据。RS-485电气标准是的I&I应用中使用
最广泛的物理层规范之一，I&I应用包括：工业自动
化、过程控制、电机控制和运动控制、远程终端、楼宇
自动化(暖通空调HVAC等)、安保系统和再生能源等。
使RS-485成为I&I通信应用理想之选的一些关键特性
如下：
?长距离链路——最长4000英尺
?可在一对绞线电缆上双向通信
?差分传输可提高共模噪声抗扰度，减少噪声辐射
?可将多个驱动器和接收器连接至同一总线
?宽共模范围(–7V至+12V)允许驱动器与接收器之间
存在地电位差异
?TIA/EIA-485-A允许数据速率达到数十Mbps
TIA/EIA-485-A描述RS-485接口的物理层，通常与Prof_ib-
us、Interbus、Modbus或BACnet等更高层协议配合使
用，能够在相对较长的距离内实现稳定的数据传输。
但在实际应用中，雷击、功率感应、直接接触、电源波
动、感应开关和静电放电可能产生较大瞬变电压，对
RS-485收发器造成损害。设计人员必须确保设备不仅能
在理想条件下工作，而且能够在实际可能遇到的恶劣环
境下正常工作。为了确保这些设计能够在电气条件恶劣
的环境下工作，各个政府机构和监管机构实施了EMC
法规。如果设计符合这些法规，可以让最终用户确信它
们在恶劣环境下也能正常工作。
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图1.IEC61000-4-2ESD波形(8kV)
电磁兼容性
电磁环境由辐射和传导两种能量组成，因此EMC包括
两个方面：发射和耐受性。EMC是指电气系统在目标
电磁环境下保持良好性能且不会向该环境引入大量电磁
干扰的能力。本文讨论如何提高RS-485端口的EMC耐受
性以防范三种主要EMC瞬变。
国际电工委员会(IEC)是致力于制定和发布所有电气、
电子和相关技术国际标准的全球领先组织。自1996年以
来，向欧盟出售或在欧盟范围内出售的所有电子设备都
必须达到规范IEC61000-4-x定义的EMC级别。
IEC61000规范定义了一组EMC耐受要求，适用于在住
宅、商业和轻工业环境中使用的电气和电子设备。这组
规范包括以下三类高电压瞬变，电子设计人员必须确保
数据通信线路不受它们损害：
?IEC61000-4-2静电放电(ESD)
?IEC61000-4-4电快速瞬变(EFT)
?IEC61000-4-5电涌耐受性
所有这些规范都定义了测试方法，用以评估电子和电气
设备对指定现象的耐受性。下面概要说明各种测试。
静电放电
ESD是指静电荷在不同电位的实体之间的突然传输，由
靠近接触或电场感应引起。其特征是在短时间内产生高
电流。IEC61000-4-2测试的主要目的是确定系统在工作
中对外部ESD事件的抗扰度。IEC61000-4-2描述了两种
耦合测试方法，即所谓接触放电和气隙放电。接触放电
要求放电枪与受测单元直接接触。在气隙放电测试期
间，放电枪的充电电极朝向受测单元移动，直到气隙上
发生电弧放电。放电枪不与受测单元直接接触。气隙测
试的结果和可重复性会受到多种因素的影响，包括湿
度、温度、气压、距离和放电枪逼近受测单元的速率。
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这种方法能够更好地反映实际ESD事件，但可重复性较
差。因此，接触放电是首选测试方法。
测试期间，数据端口须经受至少10次正极放电和10次负
极放电，脉冲之间间隔1秒。测试电压的选择取决于系
统端环境。规定的最高测试为4级，要求接触放电电压为
±8kV，气隙电压为±15kV。
图1显示了规范所述的8kV接触放电电流波形。一些关键
波形参数包括小于1ns的上升时间和大约60ns的脉冲
宽度。这说明脉冲总能量约为数十mJ。
电快速瞬变
电快速瞬变测试要求将数个极端快速的瞬变脉冲耦合到
信号线上，以代表容性耦合到通信端口的外部开关电路
的瞬态干扰，这种干扰可能包括继电器和开关触点抖
动，以及切换感性或容性负载引起的瞬变，所有这些在
工业环境中非常常见。IEC61000-4-4定义的EFT测试试
图模拟此类事件造成的干扰。
图2显示EFT50uni03A9负载波形。EFT波形用具有50uni03A9输出阻
抗的发生器在50uni03A9阻抗上产生的电压来描述。输出波形
由15ms的2.5kHz至5kHz突发高压瞬变脉冲组成，以
300ms间隔重复。每个脉冲具有5ns的上升时间和50ns
的持续时间，在波形的上升和下降沿的50%点之间测
量。单个EFT脉冲的总能量与ESD脉冲相似。单个脉冲
的总能量典型值为4mJ。施加于数据端口的电压可以高
达2kV。
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图2.IEC61000-4-4EFT50uni03A9负载波形
这些快速突发瞬变通过容性箝位器耦合到通信线路。
EFT通过箝位器容性耦合到通信线路，而不是直接接
触。这同样降低了EFT发生器的低输出阻抗所引起的负
载。箝位器和电缆之间的耦合电容取决于电缆直径、屏
蔽和绝缘。
电涌瞬变
电涌瞬变由开关或雷电瞬变产生的过压引起。开关瞬变
的原因可以是电源系统切换、电源分配系统的负载变化
或短路等各种系统故障。雷电瞬变的原因可以是附近的
雷击将高电流和电压注入电路中。IEC61000-4-5定义了
用于评估对这些破坏性电涌的抗扰度的波形、测试方法
和测试级别。
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波形定义为开路电压和短路电流下波形发生器的输出。
标准描述了两种波形。10/700组合波形用于测试连接或
对称通信线路所用的端口，例如电话交换线。1.2/50组
合波形发生器用于所有其他情况，特别是短距离信号连
接。RS-485端口主要使用1.2/50波形，本部分将予以说
明。波形发生器的有效输出阻抗为2uni03A9，因此电涌瞬变
相关的电流非常高。
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图3.IEC61000-4-5电涌1.2/50波形
图4.半双工RS-485器件的耦合/解耦网络
图3显示1.2/50电涌瞬变波形。ESD和EFT具有相似的上
升时间、脉冲宽度和能量水平，但电涌脉冲的上升时间
为1.25，脉冲宽度为50。此外，电涌脉冲能量可以达到
90J，比ESD或EFT脉冲的能量高出三到四个数量级。因
此，电涌瞬变被认为是最严重的EMC瞬变。ESD与EFT
相似，因此电路保护的设计可以相似，但电涌则不然，
其能量非常高，因此必须以不同方式处理。这是开发保
护措施以改善数据端口对所有三种瞬变的抗扰度，同时
保持高性价比的过程中会遇到的主要问题之一。
电阻将电涌瞬变耦合到通信线路。图4显示半双工
RS-485器件的耦合网络。电阻并联总和为40uni03A9。对于半
双工器件，各电阻为80uni03A9。
电涌测试期间，将5个正脉冲和5个负脉冲施加于数据端
口，各脉冲间隔最长时间为1分钟。标准要求，器件在
测试期间设置为正常工作状态。
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图5.保护方案框图
通过/失败标准
将瞬变施加于受测系统时，测试结果按照通过/失败标
准分为四类。下面是通过/失败标准的列表，并举例说
明各标准与RS-485收发器的关系。
?正常工作；施加瞬变期间或之后不会发生位错误。
?功能暂时丧失或性能暂时降低，不需要操作员干
预；施加瞬变期间或之后的有限时间内可能发生位
错误。
?功能暂时丧失或性能暂时降低，需要操作员干预；
可能发生闩锁事件，但上电复位后可消除，对器件
性能无永久影响。
?功能丧失，设备永久损坏；器件未通过测试。
标准A是最希望达到的，标准D是不可接受的。永久损
坏会导致系统停机和维修/更换成本。对于任务关键型
系统，标准B和标准C也是不可接受的，因为系统在瞬
变事件期间必须能无错误运行。
瞬变保护
设计瞬变保护电路时，设计人员必须考虑以下主要
事项：
1.该电路必须防止或限制瞬变引起的损坏，并允许系
统恢复正常工作，性能影响极小。
2.保护方案应当非常可靠，足以处理系统在实际应用
经受到的瞬变类型和电压水平。
3.瞬变时长是一个重要因素。对于长时间瞬变，加热
效应可能会导致某些保护方案失效。
4.正常条件下，保护电路不得干扰系统运行。
5.如果保护电路因为过应力而失效，它应以保护系统
的方式失效。
图5显示一个典型保护方案，其特征是具有两重保护：
主保护和次级保护。主保护可将大部分瞬变能量从系统
转移开，通常位于系统和环境之间的接口。它旨在将瞬
变分流至地，从而消除大部分能量。
次级保护的目的是保护系统各个部件，使其免受主保护
允许通过的任何瞬态电压和电流的损坏。它经过优化，
确保能够抵御残余瞬变影响，同时允许系统的敏感部分
正常工作。主保护和次级保护的设计必须与系统I/O协
同工作，从而最大程度地降低对保护电路的压力，这点
很重要。主保护器件与次级保护器件之间一般有一个协
调元件，如电阻或非线性过流保护器件等，用以确保二
者协同应对瞬变。
RS-485瞬变抑制网络
就特性而言，EMC瞬态事件在时间上会有变化，因此
保护元件必须具有动态性能，而且其动态特性需要与受
保护器件的输入/输出极相匹配，这样才能实现成功的
EMC设计。器件数据手册一般只包含直流数据，由于
动态击穿和I/V特性可能与直流值存在很大差异，因此
这些数据没有太多价值。必须进行精心设计并确定特
性，了解受保护器件的输入/输出级的动态性能，并且
使用保护元件，才能确保电路达到EMC标准。
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图6.三个EMC兼容ADM3485E电路(原理示意图，未显示所有连接)
图6所示电路显示了三种不同的完整特性EMC兼容解决
方案。每个解决方案都经过独立外部EMC兼容性测试
公司的认证，各方案使用精选的Bourns外部电路保护元
件，针对ADI公司具有增强ESD保护性能的ADM3485E
3.3VRS-485收发器提供不同的成本/保护级别。所用的
Bourns外部电路保护元件包括瞬态电压抑制器
(CDSOT23-SM712)、瞬态闭锁单元(TBU-CA065-200-WH)、
晶闸管电涌保护器(TISP4240M3BJR-S)和气体放电管
(2038-15-SM-RPLF)。
每种解决方案都经过特性测试，确保保护元件的动态I/V性
能可以保护ADM3485ERS-485总线引脚的动态I/V特性，使
得ADM3485E输入/输出级与外部保护元件协同防范瞬
变事件。
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表1.解决方案1保护级别
ESD(-4-2)EFT(-4-4)Surge(-4-5)
级别电压(接触/气隙)级别电压级别电压
48kV/15kV42kV21kV
图7.CDSOT23-SM712I/V特性
表2.解决方案2保护级别
ESD(-4-2)EFT(-4-4)Surge(-4-5)
级别电压(接触/气隙)级别电压级别电压
48kV/15kV42kV44kV
保护方案1
前面说过，EFT和ESD瞬变具有相似的能量水平，而电
涌波形的能量水平则高出三到四个数量级。针对ESD和
EFT的保护可通过相似方式实现，但针对高电涌级别的
保护解决方案则更为复杂。第一个解决方案提供四级
ESD和EFT保护及二级电涌保护。本文描述的所有电涌
测试都使用1.2/50uni03BCs波形。
此解决方案使用Bourns公司的CDSOT23-SM712瞬变电
压抑制器(TVS)阵列，它包括两个双向TVS二极管，非
常适合保护RS-485系统，过应力极小，同时支持RS-485
收发器上的全范围RS-485信号和共模偏移(–7V至+12V)。
表1显示针对ESD、EFT和电涌瞬变的电压保护级别。
TVS是基于硅的器件。在正常工作条件下，TVS具有很
高的对地阻抗；理想情况下它是开路。保护方法是将瞬
态导致的过压箝位到电压限值。这是通过PN结的低阻
抗雪崩击穿实现的。当产生大于TVS的击穿电压的瞬态
电压时，TVS会将瞬态箝位到小于保护器件的击穿电压
的预定水平。瞬变立即受到箝位(<1ns)，瞬态电流从受
保护器件转移至地。
重要的是要确保TVS的击穿电压在受保护引脚的正常工
作范围之外。CDSOT23-SM712的独有特性是具有
+13.3V和–7.5V的非对称击穿电压，与+12V至–7V的收
发器共模范围相匹配，从而提供最佳保护，同时最大程
度减小对ADM3485ERS-485收发器的过压应力。
保护方案2
上一解决方案可提供最高四级ESD和EFT保护，但只能
提供二级电涌保护。为了提高电涌保护级别，保护电路
变得更加复杂。以下保护方案可以提供最高四级电涌
保护。
CDSOT23-SM712专门针对RS-485数据端口设计。以下
两个电路基于CDSOT23-SM712构建，提供更高级别的
电路保护。CDSOT23-SM712提供次级保护，而
TISP4240M3BJR-S提供主保护。主从保护器件与过流保
护之间的协调通过TBU-CA065-200-WH完成。表2显
示使用此保护电路的ESD、EFT和电涌瞬变保护电压
级别。
当瞬变能量施加于保护电路时，TVS将会击穿，通过
提供低阻抗的接地路径来保护器件。由于电压和电
流较高，还必须通过限制通过的电流来保护TVS。这
可采用瞬态闭锁单元(TBU)实现，它是一个主动高速
过流保护元件。此解决方案中的TBU是Bourns
TBU-CA065-200-WH。
TBU可阻挡电流，而不是将其分流至地。作为串联元
件，它会对通过器件的电流做出反应，而不是对接口两
端的电压做出反应。TBU是一个高速过流保护元件，具
有预设电流限值和耐高压能力。
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图9.TISP切换特性和电压限制波形
当发生过流，TVS由于瞬态事件击穿时，TBU中的电流
将升至器件设置的限流水平。此时，TBU会在不足1时
间内将受保护电路与电涌断开。在瞬变的剩余时间内，
TBU保持在受保护阻隔状态，只有极小的电流(<1mA)
通过受保护电路。在正常工作条件下，TBU具有低阻
抗，因此它对正常电路工作的影响很小。在阻隔模式
下，它具有很高的阻抗以阻隔瞬变能量。在瞬态事件
后，TBU自动复位至低阻抗状态，允许系统恢复正常
工作。
与所有过流保护技术相同，TBU具有最大击穿电压，因
此主保护器件必须箝位电压，并将瞬变能量重新引导至
地。这通常使用气体放电管或固态晶闸管等技术实现，
例如完全集成电涌保护器(TISP)。TISP充当主保护器
件。当超过其预定义保护电压时，它提供瞬态开路低阻
抗接地路径，从而将大部分瞬变能量从系统和其他保护
器件转移开。
TISP的非线性电压-电流特性通过转移产生的电流来限
制过压。作为晶闸管，TISP具有非连续电压-电流特
性，它是由于高电压区和低电压区之间的切换动作而导
致的。图9显示了器件的电压-电流特性。在TISP器件切
换到低电压状态之前，它具有低阻抗接地路径以分流瞬
变能量，雪崩击穿区域则导致了箝位动作。在限制过压
的过程中，受保护电路短暂暴露在高压下，因而在切换
到低压保护导通状态之前，TISP器件处在击穿区域。
TBU将保护下游电路，防止由于这种高电压导致的高电
流造成损坏。当转移电流降低到临界值以下时，TISP器
件自动复位，以便恢复正常系统运行。
如上所述，所有三个器件与系统I/O协同工作来保护系
统免受高电压和电流瞬变影响。
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表3.解决方案3保护级别
ESD(-4-2)EFT(-4-4)Surge(-4-5)
级别电压(接触/气隙)级别电压级别电压
48kV/15kV42kVX6kV
图10.GDT特性波形
表4.三种ADM3485EEMC兼容解决方案
ESD(-4-2)EFT(-4-4)Surge(-4-5)
保护方案级别电压(接触/气隙)级别电压级别电压
TVS48kV/15kV42kV21kV
TVS/TBU/TISP48kV/15kV42kV44kV
TVS/TBU/GDT48kV/15kV42kVX6kV
保护方案3
常常需要四级以上的电涌保护。此保护方案可保护
RS-485端口免受最高6kV电涌瞬变的影响。它的工作方
式类似于保护解决方案2，但此电路采用气体放电管
(GDT)取代TISP来保护TBU，进而保护次级保护器件
TVS。GDT将针对高于前一种保护机制中所述TISP的过
压和过流应力提供保护。此保护方案的GDT是Bourns公
司的2038-15-SM-RPLF。TISP额定电流为220A，而GDT
每个导体的额定电流为5kA。表3显示此设计提供的保
护级别。
GDT主要用作主保护器件，提供低阻抗接地路径以防止
过压瞬变。当瞬态电压达到GDT火花放电电压时，
GDT将从高阻抗关闭状态切换到电弧模式。在电弧模式
下，GDT成为虚拟短路，提供瞬态开路电流接地路径，
将瞬态电流从受保护器件上转移开。
图10显示GDT的典型特性。当GDT两端的电压增大时，
放电管中的气体由于产生的电荷开始电离。这称为辉光
区。在此区域中，增加的电流将产生雪崩效应，将GDT
转换为虚拟短路，允许电流通过器件。在短路事件中，
器件两端产生的电压称为弧电压。辉光区和电弧区之间
的转换时间主要取决于器件的物理特性。
结论
本文说明了处理瞬变抗扰度的三种IEC标准。在实际工
业应用中，RS-485通信端口遇到这些瞬变时可能遭到损
坏。EMC问题如果是在产品设计周期后期才发现，可
能需要重新设计，导致计划延迟，代价巨大。因此，
EMC问题应在设计周期开始时就予以考虑，否则可能
后悔莫及，无法实现所需的EMC性能。
在设计面向RS-485网络的EMC兼容解决方案时，主要难
题是让外部保护元件的动态性能与RS-485器件输入/输
出结构的动态性能相匹配。
本文介绍了适用于RS-485通信端口的三种不同EMC兼容
解决方案，设计人员可按照所需的保护级别选择保护方
案。EVAL-CN0313-SDPZ是业界首个EMC兼容RS-485客
户设计工具，针对ESD、EFT和电涌提供最高四级保
护。表4总结了不同保护方案提供的保护级别。虽然这
些设计工具不能取代所需的系统级严格评估和专业资
质，但能够让设计人员在设计周期早期降低由于EMC
问题导致的项目延误风险，从而缩短产品设计时间和上
市时间。有关详情，请访问：www.analog.com/RS485emc。
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OneTechnologyWay?P.O.Box9106?Norwood,MA02062-9106,U.S.A.
Tel:781.329.4700?Fax:781.461.3113?www.analog.com
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