简介

ADM2795E 是一款 5 kV rms 信号隔离 RS-485 收发器，其集成 ADI 公司的 iCoupler^® 技术，将 RS-485 收发器和国际电工委员会 (IEC) 电磁兼容性 (EMC) 保护集成于单封装中。ADM2795E 适用于恶劣工业环境中面临着多种威胁的 RS-485 通信接口，这些威胁可能干扰通信或导致永久性损坏。工业自动化可编程逻辑控制器 (PLC) 通信端口通常使用 RS-485 接口，这些端口可能经受较大的共模噪声、接地电位差、接线错误和高压瞬变，如静电放电 (ESD)、电快速瞬变 (EFT) 和雷电浪涌。工业自动化的系统级 IEC 标准(如 IEC 61131-2) 规定了多种 IEC ESD、EFT 和浪涌保护级别以及对辐射、传导和磁场干扰的抗扰度。

经认证的 IEC EMC 性能概述

ADM2795E 可提供完整的系统级解决方案，该方案符合 IEC 61000 浪涌、EFT 和 ESD 标准以及对传导、辐射和磁场干扰的抗扰度，这些干扰在工业环境中很常见。隔离鲁棒性和 EMC 保护的集成大幅节省了印刷电路板 (PCB) 空间，以供通信端口接口使用。ADM2795E 还集成了全面的 ±42 V 高压故障保护。

本应用笔记给出了参考评估板和示例测试设置，演示了 ADM2795E的IEC EMC 认证性能：

•RS-485 A 和 B 总线引脚提供 4 级 EMC 认证保护

•IEC 61000-4-5 浪涌保护 (±4 kV)

•IEC 61000-4-4 EFT 保护 (±2 kV)

•IEC 61000-4-2 ESD 保护

•接触放电：±8 kV

•气隙放电：±15 kV

•IEC 61000-4-6 传导射频抗扰度 (10 V/m rms)

•经认证的 IEC 61000 隔离栅抗扰度

•IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4 EFT、IEC 61000-4-5 浪涌、IEC 61000-4-6 传导射频抗扰度、IEC 61000-4-3 辐射抗扰度、IEC 61000-4-8 磁场抗扰度

图 1.ADM2795E 的集成 IEC 61000-4-5 认证浪涌解决方案，为设计师显著节省了 PCB 面积

IEC ESD、EFT 和浪涌保护

电气和电子设备的设计必须满足系统级 IEC 标准。以下是系统级 IEC 标准示例：

•过程控制和自动化：IEC 61131-2

•电机控制：IEC 61800-3

•楼宇自动化：IEC 60730-1

对于数据通信线路，这些系统级标准将规定以下三种类型的高压瞬变的多个保护级别：

•IEC 61000-4-2 ESD

•IEC 61000-4-4 EFT

•IEC 61000-4-5 浪涌

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。已根据这些 IEC EMC 规范全面测试了 ADM2795E，并认证其符合 IEC EMC。

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。IEC 61000-4-2 测试的主要目的是确定系统在工作过程中对系统外部 ESD 事件的抗扰度。IEC 61000-4-2 介绍了使用两种耦合方法的测试，即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。气隙放电测试方法能够更好地反映实际 ESD 事件，但可重复性不及接触放电测试。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，脉冲之间间隔最短为 1 秒。测试电压的选择取决于系统端环境。

图 2 所示为 IEC 61000-4-2 规范所述的 8 kV 接触放电电流波形。一些关键波形参数包括小于 1 ns 的上升时间和大约 60 ns 的脉冲宽度。

图 2.IEC61000-4-2 ESD 波形 (8 kV)

图 3 所示为针对接触放电和气隙放电测试 ADM2795E 评估板是否符合 IEC 61000-4-2 ESD 标准的示例测试设置。

图 3. 针对 GND1 或 GND2 的 IEC 61000-4-2 ESD 测试

执行测试时，IEC ESD 枪连接至本地总线 GND2。针对 GND2 测试时，ADM2795E 对 IEC 61000-4-2 事件具有鲁棒性，通过了标准中认可的最高级别 (4 级)，其定义的接触放电电压和气隙放电电压分别为 ±8 kV 和 ±15 kV。

同样，执行测试时，IEC ESD 枪连接至逻辑侧 GND1。针对 GND1 的测试验证了 ADM2795E 隔离栅的鲁棒性。隔离栅可承受的 IEC 61000-4-2 ESD为±9 kV 的接触放电电压和 ±8 kV 的气隙放电电压。测试在收发器正常工作时执行，ADM2795E 时钟数据为 2.5 Mbps。表 1 和表 4 总结了经认证的测试结果。

表 1.IEC 61000-4-2 认证测试结果

图 4 所示为 IEC 61000-4-2 标准中的 8 kV 接触放电电流波形与人体模型 (HBM) ESD 8 kV 波形的对比。从图 4 中可以看出，两个标准规定的波形形状和峰值电流差异很大。与 IEC 61000-4-2 8 kV 脉冲关联的峰值电流为 30 A，相应的 HBM ESD 峰值电流要小 5 倍多，为 5.33A。另一差异为初始电压尖峰的上升时间，对于 IEC 61000-4-2 ESD，上升时间为 1 ns，相较于与 HBM ESD 波形关联的 10 ns 时间要快得多。与 IEC ESD 波形关联的功率值显著大于 HBM ESD 波形的相应值。与规定了多个 HBM ESD 保护级别的其他 RS-485 收发器相比，具有 IEC 61000-4-2 ESD 额定值的 ADM2795E 更适用于在恶劣环境中工作。

图 4.IEC 61000-4-2 ESD 波形 (8 kV) 与 HBM ESD 波形 (8 kV) 的对比

电快速瞬变

EFT 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。EC 61000-4-4 中定义的 EFT 测试尝试模拟因为这些类型的事件产生的干扰。

图 5 显示 EFT 50 Ω 负载波形。EFT 波形用具有 50 Ω 输出阻抗的发生器在 50 Ω 阻抗上产生的电压来描述。输出波形包括一个持续时间为 15 ms 的 5  kHz 高电压瞬变脉冲群，其重复间隔为 300 ms。另外也可以产生持续时间为 750 µs 的 100 kHz 高频脉冲群执行 EFT 测试。每个脉冲具有 5 ns 的上升时间和 50 ns 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。

图 5.IEC 61000-4-4 EFT 50 Ω 负载波形

测试期间，这些 EFT 快速突发瞬变通过容性箝位器耦合到通信线路，如图 6 所示。EFT 通过箝位器容性耦合到通信线路，而不是直接接触。该箝位器同样降低了 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。EFT 箝位器边缘放置在距受测设备 (EUT)   EVAL-ADM2795EEBZ 评估板 50 cm 的位置。EFT 发生器设置为输出 5 kHz 或 100 kHz 重复 EFT 突波。在 5 kHz 和 100 kHz 测试设置下测试 EVAL-ADM2795EEBZ。

EFT 箝位器连接至 GND2 时，EVAL-ADM2795EEBZ 对 IEC 61000-4-4 EFT 瞬变具有鲁棒性，保护级别达到了标准中认可的最高级别 (4级)，其定义的电压级别为 ±2 kV。IEC 61000-4-4 箝位器连接至 GND1 时，EVAL-ADM2795EEBZ 对 IEC 61000-4-4 EFT 瞬变具有鲁棒性，承受的电压可达 ±2 kV。测试在收发器正常工作时执行，EVAL-ADM2795EEBZ 时钟数据为 2.5 Mbps。无论是否将 RS-485 电缆屏蔽设置为连接至 GND2，表 2 中所示的结果均有效。EVAL-ADM2795EEBZ 可承受高达 ±2 kV 的 IEC 61000-4-4 EFT 而不损坏。表 2 和表 4 总结了经认证的测试结果。

表 2.IEC 61000-4-4 认证测试结果

图 6.针对 GND1 或 GND2 的 IEC 61000-4-4 EFT 测试

浪涌

浪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。IEC 61000-4-5 定义了用于评估对这些破坏性浪涌的抗扰度的波形、测试方法和测试级别。

波形规定为开路电压和短路电流形式的波形发生器输出。RS-485 端口主要使用 1.2/50 µs 波形，本部分将予以介绍。波形发生器的有效输出阻抗为 2 Ω，因此浪涌瞬变相关的电流非常高。

图 7.IEC 61000-4-5 浪涌 1.2 µs/50 μs 波形

图 7 所示为 1.2 µs 和 50 μs 浪涌瞬变波形。ESD 和 EFT 拥有类似的上升时间、脉冲宽度和能量级别，但浪涌脉冲的上升时间为 1.25 µs，脉冲宽度为 50 µs。

此外，浪涌脉冲能量比ESD或EFT脉冲的能量高出三到四个数量级。因此，浪涌瞬变被认为是最严重的 EMC 瞬变。

IEC 61000-4-5 浪涌测试涉及使用耦合/去耦网络 (CDN)，以便将浪涌瞬变耦合至 RS-485 A 和 B 总线引脚。半双工 RS-485 器件的耦合网络包含 A 和 B 线路上的 80 Ω 电阻以及耦合器件。电阻并联总和为 40 Ω。耦合器件可以是电容、气体放电器、箝位器件或可使 EUT 在应用测试期间正确工作的任何方法。浪涌测试期间，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必须设置为正常工作状态。图 8 显示浪涌测试的测试设置。测试在收发器正常工作时执行，ADM2795E 时钟数据为 2.5 Mbps。

IEC 浪涌发生器连接至 GND2 时，ADM2795E 对 IEC 61000-4-5 事件具有鲁棒性，保护级别达到了标准中认可的最高级别 (4级)，其定义的峰值电压为 ±4 kV。

IEC 浪涌发生器连接至 GND1 时，ADM2795E 对 IEC 61000-4-5 事件具有鲁棒性，承受的浪涌电压可达 4.0 kV。ADM2795E 可承受高达 4.0 kV 的 IEC 61000-4-5 浪涌电压而不损坏，且数据传输中无位错误。针对 GND1 的测试验证了 ADM2795E 隔离栅的鲁棒性。表 3 和表 4 总结了经认证的测试结果。

表 3.IEC 61000-4-5 认证测试结果

图 8.针对 GND1 或 GND2 的 IEC 61000-4-5 浪涌测试

表 4 所示为达到了所述 IEC 系统级 EMC 标准的 ADM2795E 性能和分类。

性能与各个分类的对应如下所示：

•A 类：正常工作

•B 类：性能暂时丧失(位错误)

•C 类：系统需要复位

•D 类：功能永久丧失

表 4.ADM2795E 的 EMC 认证系统级分类汇总

IEC 61000-4-6 传导抗扰度测试适用于在存在射频场的环境中工作或连接至主电源或其他网络(信号或控制线路)的产品。传导干扰源为来自射频发射器的电磁场，可作用于连接至已安装设备的整个电缆。

在 IEC 61000-4-6 测试中，射频电压从 150 kHz 阶跃至 80 MHz 或 100 MHz。射频电压由 1 kHz 正弦波进行 80% 的幅度调制 (AM)。针对 3 级 (10 V 的最高测试级别)测试第一个 EVAL-ADM2795EEBZ 评估板。对于 IEC 61000-4-6 测试，使用表 5 中详述的箝位器施加应力信号。箝位器放置在两个 ADM2795E 收发器之间的通信电缆上。对于所有测试，设备和 EUT 设置均为表 5 和图 9 中所述的设置。

表 6 所示为 EUT通过了IEC 61000-4-6 3 级的测试结果。对于所有测试，IEC 61000-4-6 箝位器均放置在 EUT(EVAL-ADM2795EEBZ) 上，电缆屏蔽浮空或接地。第二个 EVAL-ADM2795EEBZ (辅助设备)放置在网络上以端接通信总线。IEC 61000-4-6 发生器箝位器连接至 EVAL-ADM2795EEBZ EUT 的 GND1 或GND2 以为 IEC 61000-4-6 瞬变电流提供返回电流路径。

已测试且认证 ADM2795E 评估板通过了 IEC 61000-4-6 传导辐射抗扰度测试3级 (10 V/m rms，采用表 6 中所述的多种配置)。

表  5.IEC 61000-4-6 EUT 和设备

表 6.IEC 61000-4-6 认证测试结果

图 9.针对 GND1 或 GND2 的 IEC 61000-4-6 传导辐射抗扰度示例测试设置测试

IEC 61000-4-3 辐射射频抗扰度

针对 IEC 61000-4-3 的测试可确保电子设备对常发生的辐射射频场具有抗扰性。在工业应用中，发出常发生的意外射频的一些设备包括电动机和电焊机。

在 IEC 61000-4-3 测试中，由屏蔽消声室中的天线使用预校准场(扫频从 80 MHz 至 2.7 GHz )生成辐射射频场。射频电压在 1 kHz 下进行 80% 的幅度调制。EUT 的各个面均经受垂直和水平极化。

图 10 所示为 EVAL-ADM2795EEBZ 的测试设置，EUT 放置在电波暗室中，通过两块 9 V电池供电。EVAL-ADM2795EEBZ 板上调节器用于为 VDD1 和 VDD2 提供 5.0 V 电压。测试期间，EVAL-ADM2795EEBZ 载有 120 Ω 的端接电阻。模式发生器为 ADM2795E TxD 引脚提供 2.5 Mbps 的数据输入。ADM2795E 接收器输出 (RxD) 通过示波器进行监控。

选择的通过标准为在存在 IEC 61000-4-3 辐射射频场时，RxD 信号的位宽变化小于 10%。

已测试且认证 EVAL-ADM2795EEBZ 评估板通过了 IEC 61000-4-3 辐射射频抗扰度测试 4 级 (30 V/m)。4 级为 IEC 61000-4-3 标准中的最高级别。

图 10.IEC 61000-4-3 辐射抗扰度测试

IEC 61000-4-8 磁场抗扰度

针对 IEC 61000-4-8 的测试可确保电子设备对常发生的磁场具有抗扰性。典型工业通信应用中的磁场源为接近设备的电源线电流或 50 Hz 或 60 Hz 变压器。

在 IEC 61000-4-8 测试中，通过测试电流发生器驱动大型线圈(感应线圈)产生定义磁场强度的受控磁场。EUT 放置在感应线圈中心，使其经受磁场。

图 11 所示为 EVAL-ADM2795EEBZ 的测试设置，EUT 放置在电波暗室中，通过两块 9 V 电池供电。EVAL-ADM2795EEBZ 板上调节器用于为 VDD1 和 VDD2 提供 5.0 V 电压。测试期间，EVAL-ADM2795EEBZ 载有 120 Ω 的端接电阻。模式发生器为 ADM2795E TxD 引脚提供 2.5 Mbps 的数据输入。ADM2795E 接收器输出 (RxD) 通过示波器进行监控。选择的通过标准为在存在 IEC 61000-4-8 磁场时，RxD 信号的位宽变化小于 10%。

已测试且认证 EVAL-ADM2795EEBZ 评估板通过了 IEC 61000-4-8 磁场抗扰度测试 5 级 (100 A/m)。5 级为 IEC 61000-4-8 标准中规定的最高级别。

图 11.IEC 61000-4-8 磁场抗扰度测试

过压故障保护

ADM2795E 是首款在 3 V 至 5.5 V 的 VCC工 作范围内提供故障保护的 RS-485 收发器，且无需仔细检查 RS-485 收发器的逻辑引脚状态 (TxD 输入、DE 和)。收发器在 ±25 V 的整个扩展共模工作范围内也受故障保护。

ADM2795E RS-485 驱动器输出和接收器输入受 –42 V 至 +42 V AC/DC 峰值范围内的任何电压的短路保护。故障状态中的最大电流为 ±250 mA。RS-485 驱动器包括折返限流电路，该电路可减小电压超出收发器的 ±25 V 共模范围限制时的驱动器电流。折返特性引起的这一电流减少可实现更好的功耗和热效应管理。

±42 V 接线错误保护

ADM2795E 在未安装 RS-485 端接或总线偏置电阻的总线上运行时将受到高压接线错误事件保护。典型的接线错误事件为高压 24 V AC/DC 电源直接连接至 RS-485 总线引脚连接器。ADM2795E 可在 RS-485 总线引脚上承受相对于 GND2 峰值高达 ±42 V 的接线错误故障而不损坏。在 ADM2795E RS-485 A 和 B 总线引脚上确保接线错误保护，且在连接器和总线引脚进行热插拔时确保该保护。表 7 和表 8 总结了 ADM2795E 提供的高压接线错误保护。通过 ±42 V DC 和 ±24 V ± 20% rms(50 Hz 或 60 Hz)，采用热插拔和 DC 斜坡测试波形测试 ADM2795E。在电源供电和不供电的情况下执行测试，RS-485 TxD 输入、DE 和使能引脚采用多种不同的状态。RS-485 总线引脚可承受引脚 A 到地、引脚 B 到地以及引脚 A 和引脚 B 之间的高压接线错误。

表 7. 接线错误保护表缩略语

表 8. 高压接线错误保护

1 这是引脚 A 和 GND2、引脚 B 和 GND2 或引脚 A 和引脚 B 之间的 AC/DC 接线错误峰值电压。

2 VA 指引脚 A 上的电压，VB 指引脚 B 上的电压。

RS-485 网络偏置和端接

对于安装了偏置和端接电阻的 RS-485 A 和 B 总线引脚上的高压接线错误，偏置网络到 ADM2795E 电源 VDD2 引脚之间具有电流路径。为了在这种情况下保护 ADM2795E，器件配有集成 VDD2 保护电路。

ADM2795E 为一款具有故障保护的 RS-485 器件，同时也为其电源引脚提供保护。该故障保护意味着通过 R1 上拉电阻的电流路径不会对 VDD2 引脚造成损坏，但如果不采用适当的额定功率，上拉电阻本身可能损坏(见图 12)。R1 上拉电阻功率额定值取决于接线错误电压和电阻值。

如果图 12 的总线设置中 A 和 B 引脚之间存在接线错误，则 ADM2795E 会受保护，但如果不采用适当的额定功率，则 RT 总线端接电阻可能损坏。RT 端接电阻功率额定值取决于接线错误电压和电阻值。

图 12. 具有总线端接和偏置电阻的 ADM2795E 的高压接线错误保护