簡介

ADM2795E是一款5 kV rms信號隔離RS-485收發(fā)器，其集成ADI公司的iCoupler®技術，將RS-485收發(fā)器和國際電工委員會(IEC)電磁兼容性(EMC)保護集成于單封裝中。ADM2795E適用于惡劣工業(yè)環(huán)境中面臨著多種威脅的RS-485通信接口，這些威脅可能干擾通信或?qū)е掠谰眯該p壞。工業(yè)自動化可編程邏輯控制器(PLC)通信端口通常使用RS-485接口，這些端口可能經(jīng)受較大的共模噪聲、接地電位差、接線錯誤和高壓瞬變，如靜電放電(ESD)、電快速瞬變(EFT)和雷電浪涌。工業(yè)自動化的系統(tǒng)級IEC標準(如IEC 61131-2)規(guī)定了多種IEC ESD、EFT和浪涌保護級別以及對輻射、傳導和磁場干擾的抗擾度。

經(jīng)認證的IEC EMC性能概述

ADM2795E可提供完整的系統(tǒng)級解決方案，該方案符合IEC 61000浪涌、EFT和ESD標準以及對傳導、輻射和磁場干擾的抗擾度，這些干擾在工業(yè)環(huán)境中很常見。隔離魯棒性和EMC保護的集成大幅節(jié)省了印刷電路板(PCB)空間，以供通信端口接口使用。ADM2795E還集成了全面的±42 V高壓故障保護。

本應用筆記給出了參考評估板和示例測試設置，演示了ADM2795E的IEC EMC認證性能：

•RS-485 A和B總線引腳提供4級EMC認證保護

•IEC 61000-4-5浪涌保護(±4 kV)

•IEC 61000-4-4 EFT保護(±2 kV)

•IEC 61000-4-2 ESD保護

•接觸放電：±8 kV

•氣隙放電：±15 kV

•IEC 61000-4-6傳導射頻抗擾度(10 V/m rms)

•經(jīng)認證的IEC 61000隔離柵抗擾度

•IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4 EFT、IEC 61000-4-5浪涌、IEC 61000-4-6傳導射頻抗擾度、IEC 61000-4-3輻射抗擾度、IEC 61000-4-8磁場抗擾度

圖1.ADM2795E的集成IEC 61000-4-5認證浪涌解決方案，為設計師顯著節(jié)省了PCB面積

IEC ESD、EFT和浪涌保護

電氣和電子設備的設計必須滿足系統(tǒng)級IEC標準。以下是系統(tǒng)級IEC標準示例：

•過程控制和自動化：IEC 61131-2

•電機控制：IEC 61800-3

•樓宇自動化：IEC 60730-1

對于數(shù)據(jù)通信線路，這些系統(tǒng)級標準將規(guī)定以下三種類型的高壓瞬變的多個保護級別：

•IEC 61000-4-2 ESD

•IEC 61000-4-4 EFT

•IEC 61000-4-5浪涌

所有這些規(guī)范都定義了測試方法，用以評估電子和電氣設備對指定現(xiàn)象的耐受性。下面概要說明各種測試。已根據(jù)這些IEC EMC規(guī)范全面測試了ADM2795E，并認證其符合IEC EMC。

靜電放電

ESD是指靜電荷在不同電位的實體之間的突然傳輸，由靠近接觸或電場感應引起。其特征是在短時間內(nèi)產(chǎn)生高電流。IEC 61000-4-2測試的主要目的是確定系統(tǒng)在工作過程中對系統(tǒng)外部ESD事件的抗擾度。IEC 61000-4-2介紹了使用兩種耦合方法的測試，即接觸放電和氣隙放電。接觸放電要求放電槍與受測單元直接接觸。在氣隙放電測試期間，放電槍的充電電極朝向受測單元移動，直到氣隙上發(fā)生電弧放電。放電槍不與受測單元直接接觸。氣隙測試的結(jié)果和可重復性會受到多種因素的影響，包括濕度、溫度、氣壓、距離和放電槍逼近受測單元的速率。氣隙放電測試方法能夠更好地反映實際ESD事件，但可重復性不及接觸放電測試。因此，接觸放電是首選測試方法。

測試期間，數(shù)據(jù)端口須經(jīng)受至少10次正極放電和10次負極放電，脈沖之間間隔最短為1秒。測試電壓的選擇取決于系統(tǒng)端環(huán)境。

圖2所示為IEC 61000-4-2規(guī)范所述的8 kV接觸放電電流波形。一些關鍵波形參數(shù)包括小于1 ns的上升時間和大約60 ns的脈沖寬度。

圖2.IEC61000-4-2 ESD波形(8 kV)

圖3所示為針對接觸放電和氣隙放電測試ADM2795E評估板是否符合IEC 61000-4-2 ESD標準的示例測試設置。

圖3.針對GND1或GND2的IEC 61000-4-2 ESD測試

執(zhí)行測試時，IEC ESD槍連接至本地總線GND2。針對GND2測試時，ADM2795E對IEC 61000-4-2事件具有魯棒性，通過了標準中認可的最高級別(4級)，其定義的接觸放電電壓和氣隙放電電壓分別為±8 kV和±15 kV。

同樣，執(zhí)行測試時，IEC ESD槍連接至邏輯側(cè)GND1。針對GND1的測試驗證了ADM2795E隔離柵的魯棒性。隔離柵可承受的IEC 61000-4-2 ESD為±9 kV的接觸放電電壓和±8 kV的氣隙放電電壓。測試在收發(fā)器正常工作時執(zhí)行，ADM2795E時鐘數(shù)據(jù)為2.5 Mbps。表1和表4總結(jié)了經(jīng)認證的測試結(jié)果。

表1.IEC 61000-4-2認證測試結(jié)果

圖4所示為IEC 61000-4-2標準中的8 kV接觸放電電流波形與人體模型(HBM) ESD 8 kV波形的對比。從圖4中可以看出，兩個標準規(guī)定的波形形狀和峰值電流差異很大。與IEC 61000-4-2 8 kV脈沖關聯(lián)的峰值電流為30 A，相應的HBM ESD峰值電流要小5倍多，為5.33A。另一差異為初始電壓尖峰的上升時間，對于IEC 61000-4-2 ESD，上升時間為1 ns，相較于與HBM ESD波形關聯(lián)的10 ns時間要快得多。與IEC ESD波形關聯(lián)的功率值顯著大于HBM ESD波形的相應值。與規(guī)定了多個HBM ESD保護級別的其他RS-485收發(fā)器相比，具有IEC 61000-4-2 ESD額定值的ADM2795E更適用于在惡劣環(huán)境中工作。

圖4.IEC 61000-4-2 ESD波形(8 kV)與HBM ESD波形(8 kV)的對比

電快速瞬變

EFT測試要求將數(shù)個極端快速的瞬變脈沖耦合到信號線上，以代表容性耦合到通信端口的外部開關電路的瞬態(tài)干擾，這種干擾可能包括繼電器和開關觸點抖動，以及切換感性或容性負載引起的瞬變，所有這些在工業(yè)環(huán)境中非常常見。EC 61000-4-4中定義的EFT測試嘗試模擬因為這些類型的事件產(chǎn)生的干擾。

圖5顯示EFT 50 Ω負載波形。EFT波形用具有50 Ω輸出阻抗的發(fā)生器在50 Ω阻抗上產(chǎn)生的電壓來描述。輸出波形包括一個持續(xù)時間為15 ms的5 kHz高電壓瞬變脈沖群，其重復間隔為300 ms。另外也可以產(chǎn)生持續(xù)時間為750 µs 的100 kHz高頻脈沖群執(zhí)行EFT測試。每個脈沖具有5 ns的上升時間和50 ns的持續(xù)時間，在波形的上升和下降沿的50%點之間測量。單個EFT脈沖的總能量與ESD脈沖相似。

圖5.IEC 61000-4-4 EFT 50 Ω負載波形

測試期間，這些EFT快速突發(fā)瞬變通過容性箝位器耦合到通信線路，如圖6所示。EFT通過箝位器容性耦合到通信線路，而不是直接接觸。該箝位器同樣降低了EFT發(fā)生器的低輸出阻抗所引起的負載。箝位器和電纜之間的耦合電容取決于電纜直徑、屏蔽和絕緣。EFT箝位器邊緣放置在距受測設備(EUT) EVAL-ADM2795EEBZ評估板50 cm的位置。EFT發(fā)生器設置為輸出5 kHz或100 kHz重復EFT突波。在5 kHz和100 kHz測試設置下測試EVAL-ADM2795EEBZ。

EFT箝位器連接至GND2時，EVAL-ADM2795EEBZ對IEC 61000-4-4 EFT瞬變具有魯棒性，保護級別達到了標準中認可的最高級別(4級)，其定義的電壓級別為±2 kV。IEC 61000-4-4箝位器連接至GND1時，EVAL-ADM2795EEBZ對IEC 61000-4-4 EFT瞬變具有魯棒性，承受的電壓可達±2 kV。測試在收發(fā)器正常工作時執(zhí)行，EVAL-ADM2795EEBZ時鐘數(shù)據(jù)為2.5 Mbps。無論是否將RS-485電纜屏蔽設置為連接至GND2，表2中所示的結(jié)果均有效。EVAL-ADM2795EEBZ可承受高達±2 kV的IEC 61000-4-4 EFT而不損壞。表2和表4總結(jié)了經(jīng)認證的測試結(jié)果。

表2.IEC 61000-4-4認證測試結(jié)果

圖6.針對GND1或GND2的IEC 61000-4-4 EFT測試

浪涌

浪涌瞬變由開關或雷電瞬變產(chǎn)生的過壓引起。開關瞬變的原因可以是電源系統(tǒng)切換、電源分配系統(tǒng)的負載變化或短路等各種系統(tǒng)故障。雷電瞬變的原因可以是附近的雷擊將高電流和電壓注入電路中。IEC 61000-4-5定義了用于評估對這些破壞性浪涌的抗擾度的波形、測試方法和測試級別。

波形規(guī)定為開路電壓和短路電流形式的波形發(fā)生器輸出。RS-485端口主要使用1.2/50 µs波形，本部分將予以介紹。波形發(fā)生器的有效輸出阻抗為2 Ω，因此浪涌瞬變相關的電流非常高。

圖7.IEC 61000-4-5浪涌1.2 µs/50 μs波形

圖7所示為1.2 µs和50 μs浪涌瞬變波形。ESD和EFT擁有類似的上升時間、脈沖寬度和能量級別，但浪涌脈沖的上升時間為1.25 µs，脈沖寬度為50 µs。

此外，浪涌脈沖能量比ESD或EFT脈沖的能量高出三到四個數(shù)量級。因此，浪涌瞬變被認為是最嚴重的EMC瞬變。

IEC 61000-4-5浪涌測試涉及使用耦合/去耦網(wǎng)絡(CDN)，以便將浪涌瞬變耦合至RS-485 A和B總線引腳。半雙工RS-485器件的耦合網(wǎng)絡包含A和B線路上的80 Ω電阻以及耦合器件。電阻并聯(lián)總和為40 Ω。耦合器件可以是電容、氣體放電器、箝位器件或可使EUT在應用測試期間正確工作的任何方法。浪涌測試期間，將5個正脈沖和5個負脈沖施加于數(shù)據(jù)端口，各脈沖間隔最長時間為1分鐘。標準要求器件在測試期間必須設置為正常工作狀態(tài)。圖8顯示浪涌測試的測試設置。測試在收發(fā)器正常工作時執(zhí)行，ADM2795E時鐘數(shù)據(jù)為2.5 Mbps。

IEC浪涌發(fā)生器連接至GND2時，ADM2795E對IEC 61000-4-5事件具有魯棒性，保護級別達到了標準中認可的最高級別(4級)，其定義的峰值電壓為±4 kV。

IEC浪涌發(fā)生器連接至GND1時，ADM2795E對IEC 61000-4-5事件具有魯棒性，承受的浪涌電壓可達4.0 kV。ADM2795E可承受高達4.0 kV的IEC 61000-4-5浪涌電壓而不損壞，且數(shù)據(jù)傳輸中無位錯誤。針對GND1的測試驗證了ADM2795E隔離柵的魯棒性。表3和表4總結(jié)了經(jīng)認證的測試結(jié)果。

表3.IEC 61000-4-5認證測試結(jié)果

圖8.針對GND1或GND2的IEC 61000-4-5浪涌測試

表4所示為達到了所述IEC系統(tǒng)級EMC標準的ADM2795E性能和分類。

性能與各個分類的對應如下所示：

•A類：正常工作

•B類：性能暫時喪失(位錯誤)

•C類：系統(tǒng)需要復位

•D類：功能永久喪失

表4.ADM2795E的EMC認證系統(tǒng)級分類匯總

IEC 61000-4-6傳導抗擾度測試適用于在存在射頻場的環(huán)境中工作或連接至主電源或其他網(wǎng)絡(信號或控制線路)的產(chǎn)品。傳導干擾源為來自射頻發(fā)射器的電磁場，可作用于連接至已安裝設備的整個電纜。

在IEC 61000-4-6測試中，射頻電壓從150 kHz階躍至80 MHz或100 MHz。射頻電壓由1 kHz正弦波進行80%的幅度調(diào)制(AM)。針對3級(10 V的最高測試級別)測試第一個EVAL-ADM2795EEBZ評估板。對于IEC 61000-4-6測試，使用表5中詳述的箝位器施加應力信號。箝位器放置在兩個ADM2795E收發(fā)器之間的通信電纜上。對于所有測試，設備和EUT設置均為表5和圖9中所述的設置。

表6所示為EUT通過了IEC 61000-4-6 3級的測試結(jié)果。對于所有測試，IEC 61000-4-6箝位器均放置在EUT(EVAL-ADM2795EEBZ)上，電纜屏蔽浮空或接地。第二個EVAL-ADM2795EEBZ(輔助設備)放置在網(wǎng)絡上以端接通信總線。IEC 61000-4-6發(fā)生器箝位器連接至EVAL-ADM2795EEBZ EUT的GND1或GND2以為IEC 61000-4-6瞬變電流提供返回電流路徑。

已測試且認證ADM2795E評估板通過了IEC 61000-4-6傳導輻射抗擾度測試3級(10 V/m rms，采用表6中所述的多種配置)。

表5.IEC 61000-4-6 EUT和設備

表6.IEC 61000-4-6認證測試結(jié)果

圖9.針對GND1或GND2的IEC 61000-4-6傳導輻射抗擾度示例測試設置測試

IEC 61000-4-3輻射射頻抗擾度

針對IEC 61000-4-3的測試可確保電子設備對常發(fā)生的輻射射頻場具有抗擾性。在工業(yè)應用中，發(fā)出常發(fā)生的意外射頻的一些設備包括電動機和電焊機。

在IEC 61000-4-3測試中，由屏蔽消聲室中的天線使用預校準場(掃頻從80 MHz至2.7 GHz)生成輻射射頻場。射頻電壓在1 kHz下進行80%的幅度調(diào)制。EUT的各個面均經(jīng)受垂直和水平極化。

圖10所示為EVAL-ADM2795EEBZ的測試設置，EUT放置在電波暗室中，通過兩塊9 V電池供電。EVAL-ADM2795EEBZ板上調(diào)節(jié)器用于為VDD1和VDD2提供5.0 V電壓。測試期間，EVAL-ADM2795EEBZ載有120 Ω的端接電阻。模式發(fā)生器為ADM2795E TxD引腳提供2.5 Mbps的數(shù)據(jù)輸入。ADM2795E接收器輸出(RxD)通過示波器進行監(jiān)控。

選擇的通過標準為在存在IEC 61000-4-3輻射射頻場時，RxD信號的位寬變化小于10%。

已測試且認證EVAL-ADM2795EEBZ評估板通過了IEC 61000-4-3輻射射頻抗擾度測試4級(30 V/m)。4級為IEC 61000-4-3標準中的最高級別。

圖10.IEC 61000-4-3輻射抗擾度測試

IEC 61000-4-8磁場抗擾度

針對IEC 61000-4-8的測試可確保電子設備對常發(fā)生的磁場具有抗擾性。典型工業(yè)通信應用中的磁場源為接近設備的電源線電流或50 Hz或60 Hz變壓器。

在IEC 61000-4-8測試中，通過測試電流發(fā)生器驅(qū)動大型線圈(感應線圈)產(chǎn)生定義磁場強度的受控磁場。EUT放置在感應線圈中心，使其經(jīng)受磁場。

圖11所示為EVAL-ADM2795EEBZ的測試設置，EUT放置在電波暗室中，通過兩塊9 V電池供電。EVAL-ADM2795EEBZ板上調(diào)節(jié)器用于為VDD1和VDD2提供5.0 V電壓。測試期間，EVAL-ADM2795EEBZ載有120 Ω的端接電阻。模式發(fā)生器為ADM2795E TxD引腳提供2.5 Mbps的數(shù)據(jù)輸入。ADM2795E接收器輸出(RxD)通過示波器進行監(jiān)控。選擇的通過標準為在存在IEC 61000-4-8磁場時，RxD信號的位寬變化小于10%。

已測試且認證EVAL-ADM2795EEBZ評估板通過了IEC 61000-4-8磁場抗擾度測試5級(100 A/m)。5級為IEC 61000-4-8標準中規(guī)定的最高級別。

圖11.IEC 61000-4-8磁場抗擾度測試

過壓故障保護

ADM2795E是首款在3 V至5.5 V的VCC工作范圍內(nèi)提供故障保護的RS-485收發(fā)器，且無需仔細檢查RS-485收發(fā)器的邏輯引腳狀態(tài)(TxD輸入、DE和)。收發(fā)器在±25 V的整個擴展共模工作范圍內(nèi)也受故障保護。

ADM2795E RS-485驅(qū)動器輸出和接收器輸入受–42 V至+42 V AC/DC峰值范圍內(nèi)的任何電壓的短路保護。故障狀態(tài)中的最大電流為±250 mA。RS-485驅(qū)動器包括折返限流電路，該電路可減小電壓超出收發(fā)器的±25 V共模范圍限制時的驅(qū)動器電流。折返特性引起的這一電流減少可實現(xiàn)更好的功耗和熱效應管理。

±42 V接線錯誤保護

ADM2795E在未安裝RS-485端接或總線偏置電阻的總線上運行時將受到高壓接線錯誤事件保護。典型的接線錯誤事件為高壓24 V AC/DC電源直接連接至RS-485總線引腳連接器。ADM2795E可在RS-485總線引腳上承受相對于GND2峰值高達±42 V的接線錯誤故障而不損壞。在ADM2795E RS-485 A和B總線引腳上確保接線錯誤保護，且在連接器和總線引腳進行熱插拔時確保該保護。表7和表8總結(jié)了ADM2795E提供的高壓接線錯誤保護。通過±42 V DC和±24 V ± 20% rms(50 Hz或60 Hz)，采用熱插拔和DC斜坡測試波形測試ADM2795E。在電源供電和不供電的情況下執(zhí)行測試，RS-485 TxD輸入、DE和使能引腳采用多種不同的狀態(tài)。RS-485總線引腳可承受引腳A到地、引腳B到地以及引腳A和引腳B之間的高壓接線錯誤。

表7.接線錯誤保護表縮略語

表8.高壓接線錯誤保護

1 這是引腳A和GND2、引腳B和GND2或引腳A和引腳B之間的AC/DC接線錯誤峰值電壓。

2 VA指引腳A上的電壓，VB指引腳B上的電壓。

RS-485網(wǎng)絡偏置和端接

對于安裝了偏置和端接電阻的RS-485 A和B總線引腳上的高壓接線錯誤，偏置網(wǎng)絡到ADM2795E電源VDD2引腳之間具有電流路徑。為了在這種情況下保護ADM2795E，器件配有集成VDD2保護電路。

ADM2795E為一款具有故障保護的RS-485器件，同時也為其電源引腳提供保護。該故障保護意味著通過R1上拉電阻的電流路徑不會對VDD2引腳造成損壞，但如果不采用適當?shù)念~定功率，上拉電阻本身可能損壞(見圖12)。R1上拉電阻功率額定值取決于接線錯誤電壓和電阻值。

如果圖12的總線設置中A和B引腳之間存在接線錯誤，則ADM2795E會受保護，但如果不采用適當?shù)念~定功率，則RT總線端接電阻可能損壞。RT端接電阻功率額定值取決于接線錯誤電壓和電阻值。

圖12.具有總線端接和偏置電阻的ADM2795E的高壓接線錯誤保護