现代工业网络依赖于强健的RS485通讯链路来实现长距离数据传输，所以保护信号的清晰度成为了一个挑战。这些网络需要工作在严酷的工业环境中，因此它们会接触到强大的电磁干扰，包括由静电放电（ESD）、电快速瞬变脉冲群（EFT）和雷击带来的瞬间高电压。长距离通讯的数据速率从10kbps到250kbps不等，传输距离高达1200米，近期的发展甚至高达2000米。由于其能够在双绞线电缆上实现差分信号传输技术以及其能够在高共模环境性中实现高可靠性的工作，RS485俨然成为了工业应用中接口技术的中流砥柱。
        为了防止由高瞬态电压和电流造成的无线电收发装置故障，进而带来成本高昂的网络故障，国际电工委员会（IEC）开发了针对静电放电、电快速瞬变脉冲群和浪涌的电瞬变抗扰度试验。为了实现优秀的网络铺设，理解这些瞬变现象、它们的应用以及设计解决方案将会有助于防止元器件损坏。
        各种瞬态影响的对比
        ESD试验模拟了人接触电气设备时产生的静电放电现象，试验脉冲的上升时间大约为1ns，持续时间低于100ns。试验顺序包括10个正向脉冲和10个负向脉冲，每一个脉冲时间间隔为1s（图1）。ESD在所有瞬态影响中能量最低。
        电快速脉冲群试验模拟了感应开关、继电器触点颤动等开关瞬态影响。此实验使用一系列脉冲群，试验脉冲具有5ns的上升时间，持续时间小于400ns。一个脉冲群包含75个脉冲，重复频率是5kHz，间隔时间为300ms。试验序列包含六个10秒脉冲群，每个脉冲群之间的间隔为10s，每分钟产生14000个脉冲。在同样的试验电压下，EFT脉冲序列的能量是ESD脉冲能量的300倍。
        浪涌试验模拟了由雷电和开关重度感性负载引起的开关瞬态影响。此实验使用不同的上升时间和脉冲间隔来区分开路和短路脉冲类型。在具体应用中，试验脉冲通常是一个波形，浪涌瞬态影响的作用时间是ESD或者电快速脉冲群作用时间的1000倍。而且控制工程网版权所有，浪涌发生器的低电源阻抗保证了能够在高电压下输出高浪涌电流。试验序列包括5个正向浪涌脉冲和5个负向浪涌脉冲，脉冲间隔为1分钟。浪涌瞬态影响的能量是同样试验电压条件下EFT脉冲序列能量的100倍，是ESD脉冲能量的30,000倍。

图1 相比于静电放电和电快速脉冲群，浪涌瞬态影响的能量更高。图片来源：Texas Instruments

        以前的保护方法
        图2所示为两种经典保护电路，防止在高电压瞬态影响下和其他共模噪声环境中的总线收发器损坏和比特误差。
        图2a中的电路使用控向二极管将信号线钳位在VCC（共集电极电压）或者地电压以防止瞬态影响。这一电路来自于以前的总线终端电路，后者使用肖特基二极管来最小化悬空总线的信号反射。当发生了信号反射，反射信号的幅度约等于VCC，这些二极管就能够将正向反射的反射信号幅值限制在VCC+VFW（全波电压）之下，将负向反射的反射信号幅值限制在0低电平-VFW。
        此电路性能有两个问题，第一个就是由于过早地引入二极管钳位作用，电路只能在小共模环境中使用。而EIA485标准要求能够在-7 V到+12 V的共模电压区间内实现可靠的数据传输，也就是说这种电路并不兼容RS485。

图2 由于所选的器件和防护方法不合适，以前的保护电路缺点大于优点。

        第二个问题就是每一次这些二极管导通或者钳位时，会有很高的峰值二极管电流流入VCC或者地电平。这一电流峰值会使电路向环境中发射更多的电磁辐射，所以无法通过大多数的电磁干扰（EMI）兼容性测试。
        图2b中所示的电路使用了更加复杂的保护电路，使用的器件可以通过抑制电快速脉冲来实现保护作用。例如，SMAJ型、SMBJ型和SMCJ型低成本瞬态电压抑制器（TVS），由于他们具有较大节电容，因此具有较长响应时间，所以对于电快速脉冲，在TVS二极管开始钳位之前，过电压仍旧能够达到120V，无线电收发装置还是无可避免地会被损坏。
        具有正温度系数（PTC）的电阻能够在出现大电流的时候增加电阻阻值，这些器件的响应时间在毫秒量级，应对浪涌都嫌过慢，更不要说ESD和EFT脉冲了。
        共模扼流圈是一种常用的用来滤除共模噪声的器件。然而，要想使用共模电感，就必须对扼流圈的特性做仔细的研究，并考虑如何将共模扼流圈集成到应用中。从音频或者USB3.0设计中简单地复制一个保护电路就期望它能够在长距离RS485应用中发挥作用简直是痴人说梦。
        很多文献建议增加滤波电容来提升滤波响应时间，然而，你需要考虑防止滤波器转移函数在截止频率处产生没必要的高峰值电压。快速瞬态影响，如ESD和EFT，具有非常宽的带宽，其频率分量能够覆盖3MHz到3GHz，会无意地放大滤波器峰值。
        而且控制工程网版权所有，滤波电容的电容值也应该匹配。较大的器件值波动会导致信号线之间产生不同的截止频率，进而将共模转变为差模噪声，引起数据误差。
        目前使用的电路保护方法
        图3所示为不同等级的瞬态保护电路。图3a使用一支快速低电容（75pF）400WTVS管，切断电压为13.5V和-7.5V，它能够符合EIA485标准要求的12V到-7V的共模电压范围。信号线A和B上连接的串联电阻Rs是一个经常被忽略的关键电阻。在瞬态时间发生时，这些电阻能够起到限流作用，还能够提供必要的电压降，确保TVS管在瞬态脉冲的持续时间内能够处于打开状态。
        图3b中电路的目标是提供更高等级的浪涌保护，因此，它需要使用瞬态闭锁单元（TBU）和半导体晶闸管瞬态抑制器（TISP）。

图3 所示为目前所使用的针对不同等级的浪涌的保护电路。

        TBU可以使用电流和电压触发www.cechina.cn，在浪涌出现时，通过TBU的电流升高到电流极限CONTROL ENGINEERING China版权所有，大约持续10ns。此时，内部电压开关就会在大约1μs内切断负载（TVS管和无线电收发装置）。对于浪涌的残留部分，TBU设备仍旧是高阻抗的，漏电流低于1mA，保护状态下的负载电流和电压很低。
        TISP设备是一种对称电压触发的双向晶闸管。过电压的初始阶段会被击穿电压钳位，直到电压上升到导通电压值CONTROL ENGINEERING China版权所有，此时设备进入低电压导通状态，低电压导通状态下，由于过电压导致的电流会安全地流过设备，当电流回落到保持电流以下时设备就会关断。

表1  图3中所示电路的保护等级

表2 图3 中所示电路的器件明细

        和前面的情况一样，TVS和串联电阻用来保护无线电收发装置SCR，对于更高的浪涌电压，TBU和TISP能够保护TVS管和后续电路。
        如果浪涌电压更高，就使用图3c中的电路替代TISP，前者使用了气体放电管。气体放电管（GDT）能够在导通状态下像“撬棍”一样创建一个虚拟的接地短接通路，确保瞬态影响不会造成损害。当浪涌超过了GDT的击穿电压CONTROL ENGINEERING China版权所有，气体就会被电离，然后就会立即导通。当浪涌通过，系统电压恢复到正常水平，GDT就会恢复高阻抗（关断）状态。
        匹配性能
        实现成功的EMC瞬态保护的关键是使保护器件的性能与无线电收发器件的特性相匹配。虽然本文推荐的保护电路并不能在系统层面上直接采用，但是它们能够帮助设计人员降低EMC相关问题的风险。