מבוא: ביישומי תעשייה ומכשור ממשיים, חיבורי הממשקים ל-RS-485 צריכים לפעול בסביבות אלקטרו-מגנטיות קשות. מתחי מעבר גדולים הנגרמים על-ידי מכות ברק, פריקות אלקטרו-סטטיות ותופעות אלקטרו-מגנטיות אחרות עלולים לפגוע בפיתחות (ports) התקשורת. כדי להבטיח שפיתחות נתונים אלה יוכלו לשרוד בסביבות ההתקנה הסופית שלהם, עליהן לענות לכללי תאימות אלקטרו-מגנטית (EMC) מסוימים.
דרישות אלו כוללות שלושה תקנים עיקריים של חסינות בפני תופעות מעבר: פריקה אלקטרו-סטטית, תופעות מעבר חשמליות מהירות ונחשולים (surges). מאמר זה מציג שלושה פתרונות של תאימות ל-EMC שונים עבור שלוש רמות שונות של עלות/הגנה, כדי להגן על תופעות מעבר אלה בפיתחות התקשורת RS-485.
Analog Devices ו-Bourns שיתפו פעולה כדי להרחיב את ההצעות שלהן לפתרונות מכוונות למערכות על-ידי פיתוח משותף של כלי התכנון של ממשק RS-485 תואם EMC הראשון בשוק המספק עד רמת הגנה 4 עבור נחשול ESD IEC61000-4-2,EFT IEC61000-4-4 ו-IEC61000-4-5. הוא מעניק למתכננים אפשרויות תכנון התלויות ברמת ההגנה הדרושה והתקציבים הזמינים. כלי תכנון אלה מאפשרים למתכננים להקטין את סכנת החלקת (slippage) הפרויקט בשל בעיות EMC על-ידי לקיחתם בחשבון בתחילת מחזור התכנון.
תאימות אלקטרו-מגנטית
אולם ביישומים ממשיים מכות ברק, שינויים במקור ההספק, מיתוג השראתי ופריקה אלקטרו-מגנטית עלולים לפגוע במקמ”שי RS-485 על-ידי יצירת מתחי מעבר גבוהים. המתכננים צריכים להבטיח שהציוד לא פועל רק בתנאים אידיאליים אלא עליו לעבוד גם ב”עולם האמיתי”. כדי להבטיח שתכנונים אלה יכולים לשרוד בסביבות חשמליות קשות, סוכנויות ממשל וגופים מסדירים הכתיבו כללי EMC. תאימות עם כללים אלה מקנים למשתמש הסופי ביטחון שהתכנונים אכן יפעלו כנדרש בסביבות קשות אלה.
ה-International Electrotechnical Commission () היא הגוף העולמי המוביל המכין ומפרסם תקנים בינלאומיים עבור כל הטכנולוגיות החשמליות, האלקטרוניות והקשורות בהן. מאז 1996, כל הציוד האלקטרוני המשווק אל או בתוך האיחוד האירופי צריך לענות לרמות ה-EMC המוגדרות במפרטי IEC61000-4-x.
מפרטי IEC61000 מגדירים את מכלול דרישות ה-EMC הנוגעות לציוד חשמל ואלקטרוניקה המיועדים לשימוש בסביבות מגורים, מסחר ותעשייה קלה. מכלול מפרטים אלה כולל שלושה סוגים של מתחי מעבר גבוהים שעל המתכננים נדרש להתחשב בהם עבור קווי תקשורת הנתונים:
IEC 61000-4-2 Electrostatic Discharge
(ESD)
IEC 61000-4-4 Electrical Fast
Transients (EFT)
IEC 61000-4-5 Surge Immunity
כל אחד ממפרטים אלה מגדיר שיטת בדיקה לשם קביעת החסינות של הציוד כנגד התופעות המוגדרות. ראוי לציין של-ESD ולפולס EFT יחיד יש מאפייני צורת-גל דומים היוצרים רמות אנרגיה דומות. לפולס הנחשול, לעומת זאת, יש רמות אנרגיה בשלושה או ארבעה סדרי גודל גבוהים יותר מאשר פולס ה-ESD וה-EFT, העושות אותו להרסני ביותר מבין השלושה.
רשתות לביטול תופעות המעבר RS485
על פי טיבעם, אירועי תופעות מעבר EMC משתנים בזמן, כך שהביצועים הדינמיים והתאמת המאפיינים הדינמיים של רכיבי ההגנה עם דרגת המבוא/המוצא של ההתקן המוגן מובילים לתכנון EMC מוצלח. דפי הנתונים של הרכיבים ככלל מכילים נתוני זרם ישר, שהם בעלי ערך מוגבל מאחר שהכשלים הדינמיים ומאפייני ה-I/V עשויים להיות די שונים מערכי הז”י. דרוש תכנון זהיר, אפיון והבנת הביצועים הדינמיים של דרגת המבוא/המוצא של התקן ההגנה ורכיבי ההגנה כדי להבטיח שהמעגל אכן עומד בתקני ה-EMC.
המעגלים המוצגים באיור 1 מציגים שלושה פתרונות שונים תואמי EMC מאופיינים במלואם. כל פיתרון אושר על-ידי מכון עצמאי וחיצוני לבדיקת תאימות ה-EMC, וכל אחד מספק רמות הגנה של עלות/הגנה שונות עבור מקמ”ש ADM3485E 3.3V RS-485 עם הגנת ESD מוגברת תוך שימוש במבחר רכיבי הגנת מעגלים חיצוניים של Bourns. רכיבי ההגנה החיצונית של המעגלים של Bourns ששימשו כללו מבטלי מתח מעבר (CDSOT23-SM712), יחידת חסימת תופעות מעבר (TBU-CA065-200-WH), מגני נחשול עם תיריסטור (TISP4240M3BJR-S) ושפופרות פריקת גזים (2038-15-SM-RPLF).
כל פיתרון אופיין כך כדי להבטיח את ביצועי I/V הדינמיים של רכיבי ההגנה אשר תואמים למאפיינים הדינמיים I/V של פיני האפיק של ה-ADM3485E RS-485. האינטראקציה בין דרגת המבוא/המוצא של ה-ADM3485E ורכיבי ההגנה החיצוניים היא זו שפעלה יחדיו כדי להגן בפני אירועי המעבר.
פיתרון הגנה 1
בשל רמות האנרגיה הדומות, ההגנה בפני ESD ו-EFT מושגת בצורה דומה, אולם הגנה בפני רמות גבוהות של נחשול דורשת פיתרונות מורכבים יותר. הפיתרון הראשון המתואר מגן עד רמה 4 ESD ו-EFT ורמה 2 נחשול. צורת הגל 1.2/50µs משמשת לכל בדיקות הנחשול המתוארות במאמר זה.
פיתרון זה משתמש במערך מבטל מתח המעבר transient voltage suppressor -TVS CDSOT23-SM712 של Bourns, המורכב משתי דיודות TVS דו-כיווניות. טבלה 1 מראה את רמות המתחים המוגנים נגד ESD, EFT ותופעות מעבר של נחשול.
TVS הוא התקן מבוסס סיליקון. בתנאי פעולה רגילים, ל-TVS יש עכבה גבוהה לאדמה: באופן אידיאלי זהו מעגל פתוח. ההגנה מושגת על-ידי חיבור מתח-היתר מתופעת המעבר למגביל מתח. דבר זה נעשה על-ידי כשל מפולת (avalanche breakdown) בעכבה נמוכה של צומת PN. כאשר מופק מתח מעבר גבוה ממתח הכשל של ה-TVS, ה-TVS מהדק את תופעת המעבר לרמה שנקבעה מראש שהיא פחות ממתח הכשל של ההתקנים עליהם הוא מגן. תופעות המעבר מהודקות מידית (פחות מ-1 ננו-שנייה) וזרם המעבר מוסט מההתקן המוגן אל האדמה.
חשוב להבטיח שמתח הכשל של ה-TVS הוא מחוץ לתחום הפעולה הרגיל של הפינים המוגנים. כפי שמתואר באיור 2, התכונה הבלעדית של ה-CDSOT23-SM712 היא בכך שיש לו מתחי כשל א-סימטריים של +13.3V ו-7.5V- כדי להתאים לתחום המוד המשותף של המקמ”ש של +12V עד -7V, ולכן הוא מספק הגנה מיטבית תוך מזעור מאמצי מתח-היתר על המקמ”ש ADM3485E RS-485.
פיתרון הגנה 2
הפיתרון הקודם מגן עד לרמה 4 ESD ו-EFT, אך רק עד רמה 2 נחשול. כדי לשפר את רמת ההגנה של נחשול, מעגלי ההגנה הופכים ליותר מורכבים. סכימת ההגנה הבאה תיצור הגנה עד לרמה 4 נחשול.
ה-CDSOT23-SM712 תוכננה במיוחד עבור פיתחות נתונים RS-485. שני המעגלים הבאים הבנויים על CDSOT23-SM712 מספקים הגנה משנית בעוד ה-TISP240M3BJR-S מספק את ההגנה הראשונית. ההגנה הראשונית מסיטה את רוב האנרגיה של תופעות המעבר מחוץ למערכת והיא ממוקמת לרוב בממשק בין המערכת והסביבה. ההגנה המשנית מיועדת להגן על חלקים שונים מהמערכת מכל מתחי המעבר וזרמי המעבר שחדרו את ההגנה הראשונית. לרוב בתכנונים אלה יהיה מרכיב תואם כגון נגד או התקן הגנה לא-ליניארי לזרם-יתר ביניהם. טבלה 2 מראה את רמות המתחים המוגנות נגד ESD, EFT ותופעות מעבר של נחשול בעזרת מעגל הגנה זה.
כאשר תופעת מעבר מחוברת למעגל ההגנה, ה-TVS ייכשל, ויגן על ההתקן על-ידי יצירת נתיב בעל עכבה נמוכה לאדמה. עם מתחים וזרמים גדולים, יש להגן גם על ה-TVS על-ידי הגבלת הזרם דרכו. דבר זה נעשה על-ידי יחידת חסימת תופעת המעבר (transient blocking unit – TBU) שהיא מרכיב הגנה בפני זרם-יתר אקטיבי מהיר. מעגלי ההגנה המתוארים מתוכננים תוך שימוש ב-TBU-CA065-200-WH TBU של Bourns.
TBU חוסם את הזרם במקום לחבר אותו לאדמה. בתור מרכיב טורי, הוא מגיב לזרם דרך ההתקן ולא למתח על-פני הממשק. TBU הוא מרכיב הגנה לזרם-יתר מהיר בעל הגבלת זרם קבועה מראש ויכולת עמידה בפני מתח גבוה. כאשר זרם-יתר מופיע וה-TVS נכשל בשל אירוע המעבר, הזרם ב-TBU יעלה עד לרמת הגבלת הזרם שנקבעה על-ידי ההתקן. בנקודה זו, ה-TBU מנתק את המעגל המוגן מתופעת המעבר בפחות מ-1 מיקרו-שנייה. במשך יתר תופעת המעבר, ה-TBU נשאר במצב של חסימה מוגנת. בתנאי הפעלה רגילים, ה-TBU מציג עכבה נמוכה, כך שיש לו השפעה מזערית על פעולת המעגל הרגילה. במוד החסימה יש לו עכבה גבוהה מאוד כדי לחסום אנרגיית מעבר. לאחר אירוע המעבר, ה-TBU מתאפס אוטומטית למצב העכבה הנמוכה שלו ומאפשר חזרה לפעולת מערכת רגילה.
כמו כל הטכנולוגיות להגנה בפני זרם-יתר, ל-TBU יש מתח כשל מרבי, כך שהתקן הגנה ראשונית צריך להתחבר למתח ולכוון את אנרגיית המעבר אל האדמה. דבר זה נעשה לרוב תוך שימוש בטכנולוגיות דוגמת שפופרות פריקת גז או תיריסטורים במצב מוצק כגון מגן נחשול משולב במלואו (totally integrated surge protector – TISP). בפיתרון זה ה-TISP פועל בתור התקן הגנה ראשוני. כאשר עולים על מתח ההגנה שנקבע מראש, הוא מספק נתיב עכבה נמוכה (crowbar) לאדמה, ובכך מטה את מרבית אנרגיית המעבר מהמערכת ומהתקני הגנה אחרים.
מאפייני מתח-זרם הלא-ליניאריים של ה-TISP מגבילים את מתח-היתר על-ידי הטיית הזרם הנוצר. בתור תיריסטור, ל-TISP יש מאפייני מתח-זרם לא-רציפים הנגרמים עקב פעולת המיתוג בין אזורי המתח הגבוה והנמוך. איור 3 מראה את מאפייני המתח-זרם של ההתקן. לפני שהתקן ה-TISP מתמתג למצב של מתח נמוך, עם עכבה נמוכה לאדמה לשם הסטת אנרגיית המעבר, נוצרת פעולת הידוק על-ידי אזור כשל המפולת. בהגבילו את מתח-היתר, המעגל המוגן ייחשף למתח גבוה למשך התקופה הקצרה בה התקן ה-TISP נמצא באזור השבירה, לפני שהוא מתמתג למצב של מתח נמוך מוגן. ה-TBU יגן על המעגל במורד הזרם בפני הזרמים הגבוהים הנובעים ממתח גבוה זה. כאשר הזרם המוסט נופל מתחת לערך קריטי, התקן ה-TISP יתאפס אוטומטית ויאפשר חזרה לפעולה הרגילה של המערכת.
פיתרון הגנה 3
לעתים קרובות דרושות רמות הגנה בפני נחשול ברמה 4. סכימת הגנה זו תגן על פיתחות RS-485 עד לנחשולי מעבר של 6 קילו-וולט כולל. היא פועלת בצורה דומה לפיתרון ההגנה 2, אולם במעגל זה משתמשים בשפופרת פריקת גז (gas discharge tube-GDT) במקום TISP כדי להגן על ה-TBU, אשר בתורו מגן על ה-TVS, התקן הגנה משני. ה-GDT יספק הגנה בפני מאמצי מתח-יתר וזרם-יתר גבוהים יותר מה-TISP המתואר בסכימת ההגנה הקודמת. ה-GDT עבור סכמת הגנה זו הוא ה-2038-15-SM-RPLF של Bourns. לשם השוואה ה-TISP מהפיתרון הקודם מדורג ל-220 אמפר, בעוד ל-GDT בפיתרון זה יש דירוג של 5 קילו-אמפר למוליך. טבלה 3 מראה את רמות ההגנה המסופקות בתכנון זה.
לשם השימוש העיקרי כהתקן הגנה ראשוני, ה-GDT מספק נתיב בעל עכבה נמוכה לאדמה כדי להגן בפני תופעות מעבר של מתח-יתר. כאשר מתח-מעבר מגיע למתח מעל-הניצוץ (spark-over) של ה-GDT, ה-GDT יעבור ממצב של עכבה גבוהה למצב של קשת. במצב של קשת, ה-GDT הופך לקצר וירטואלי, ומספק נתיב זרם crowbar לאדמה תוך כדי הרחקת זרם המעבר מההתקן המוגן.
איור 4 מראה את המאפיינים הטיפוסיים של GDT. כאשר המתח על-פני ה-GDT עולה, הגז בשפופרת מתחיל לעבור יינון בשל המטען המתפתח על-פניו. דבר זה מוכר כאזור הלהט. באזור זה הזרם העולה ייצור תופעת מפולת אשר תעביר את ה-GDT לקצר וירטואלי, ויאפשר לזרם לעבור דרך ההתקן. בזמן אירוע הקצר, המתח המתפתח על-גבי ההתקן ידוע בתור מתח הקשת. זמן המעבר בין אזור הלהט ואזור הקשת תלוי במידה גדולה במאפיינים הפיזיקאליים של ההתקן.
סיכום
אתגר-המפתח בתכנון פיתרונות תואמי EMC עבור רשתות RS-485 הוא להתאים את הביצועים הדינמיים של רכיבי ההגנה החיצוניים לביצועים הדינמיים של מבנה המבוא/מוצא של התקן ה-RS-485. מאמר זה הציג שלושה פתרונות תואמי-EMC שונים עבור פיתחות התקשורת של ה-RS-485, המעניקים למתכנן אפשרויות על-פי רמת ההגנה הדרושה. ה-EVAL-CN0313-SD1Z הוא כלי התכנון הראשון המותאם ללקוח של RS-485 התואם EMC, המספק עד 4 רמות הגנה כוללות עבור ESD, EFT ונחשול. בעוד כלי תכנון אלה אינם באים במקום ההתמדה המחייבת או ההכשרה הדרושה ברמת המערכת, הם מאפשרים למתכנן להקטין את סכנת חליקת הפרויקט בשל בעיות EMC בתחילת מחזור התכנון, ומקטינים בכך את זמן התכנון והזמן עד השיווק. למידע נוסף ניתן לפנות לאתר החברה.
מאת: James Scanlon, ADI; Koenraad Rutgers, Bourns
