James Scanlon & Koenraad Rutgers, Analog Devices
הרעיון בקצרה
ביישומי תעשייה ומכשור (I&I) ממשיים, חיבורי ממשק ה-RS-485 אמורים לפעול בסביבות אלקטרו-מגנטיות קשות. מתחי מעבר גדולים הנגרמים ממכות ברק, פריקה אלקטרו-סטטית ותופעות אלקטרו-מגנטיות אחרות עשויים לגרום לנזקים בפיתחות (ports) התקשורת. כדי לוודא שפיתחות-נתונים אלה יכולות לשרוד בתנאי ההתקנה הסופית שלהן, עליהן למלא נהלי תאימות אלקטרו-מגנטית (electromagnetic compatibility – EMC) אחדים.
דרישות אלו כוללות שלושה תקני חסינות לתופעות מעבר עיקריים: פריקה אלקטרו-סטטית, תופעות מעבר חשמליות מהירות ונחשול (surge).
בעיות EMC רבות אינן פשוטות או ברורות, כך שיש להתייחס אליהן בתחילת תכנון המוצר. לדחות שיקולים אלה לסוף מחזור התכנון עשוי לגרום לחריגות בתקציב ובלו”ז ההנדסיים.
מאמר זה מתאר כל אחד מסוגי תופעות מעבר עיקריות אלה ומציג שלושה פתרונות תואמי EMC שונים עבור שלוש רמות עלות/הגנה שונות בפיתחות תקשורת RS-485.
Analog Devices, Inc. ו-Bourns, Inc. שיתפו פעולה לשם הרחבת הצעותיהן לפתרונות מכוונות-מערכת על-ידי פיתוח משותף של כלי תכנון לממשק RS-485 תואם EMC הראשון בשוק המספק רמות הגנה עד רמה 4 עבור ESD IEC 61000-4-2 IEC 61000-4-4 EFT ונחשול
IEC 61000-4-5. הוא מעניק למתכננים אפשרויות תכנון התלויות ברמת ההגנה הדרושה והתקציבים הקיימים. כלי תכנון אלה מאפשרים למתכננים לצמצם את סיכון סטיית הפרויקט בשל בעיות EMC על-ידי ההתחשבות בהן בתחילת מחזור התכנון.
תקן RS-485
יישומי I&I דורשים העברת נתונים בין מערכות מרובות, לעתים קרובות לאורך מרחקים ארוכים ביותר. תקן החשמל RS-485 הוא אחד מהמפרטים של השכבה הפיסיקלית הנפוצים ביותר ביישומי I&I, דוגמת אוטומציה תעשייתית, בקרת תהליך, בקרת מנועים ובקרת תנועה; מסופים מרוחקים; מערכות של בניינים, כגון הסקה, אוורור ומיזוג אוויר (HVAC); מערכות ביטחון; אנרגיה מתחדשת.
אחדות מתכונות-היסוד של ה-RS-485 העושות אותו אידיאלי עבור שימוש ביישומי תקשורת I&I הן:
חיבורים ארוכי טווח – עד 4000 רגל
סוגי תקשורת דו-כיווניות אפשריות בעזרת זוג של כבלים מפותלים
שידור הפרשי (differential) מעלה את החסינות במוד-משותף ומפחית את פליטות הרעש
ניתן לחבר דרייברים ומקלטים רבים על אותו האפיק
תחום מוד-משותף רחב (-7 וולט עד +12 וולט) מאפשר הבדלים בפוטנציאל ההארקה בין הדרייבר והמקלט
TIA/EIA-485-A מאפשר קצבי נתונים עד עשרות Mbps
TIA/EIA-485-A מתאר את השכבה הפיסיקלית של ממשק ה-RS-485 והוא משמש לרוב עם פרוטוקול ברמה גבוהה יותר, דוגמת Profibus, Interbus, Modbus או BACnet. דבר זה מאפשר העברת נתונים רובוסטית למרחקים ארוכים יחסית.
אולם, ביישומים אמיתיים, מכות ברק, השראת הספק ומגע ישיר, שינויים במקור ההספק, מיתוג השראתי ופריקה אלקטרו-סטטית יכולים לפגוע במקמ”שי RS-485 על-ידי יצירת מתחי מעבר גדולים. על המתכננים לוודא שהציוד לא רק פועל בתנאים אידיאליים אלא הוא גם יפעל ב”עולם הממשי”. כדי להבטיח שתכנונים אלה ישרדו בסביבות חשמליות קשות, סוכנויות ממשל וגופי חקיקה שונים הכתיבו נהלי EMC. היענות לנהלים אלה מקנה למשתמש הסופי ביטחון שהתכנונים יפעלו כנדרש בסביבות קשות אלה.
תאימות אלקטרו-מגנטית
סביבה אלקטרו-מגנטית מורכבת הן מאנרגיה מוקרנת והן מולכת, כך של-EMC יש שני היבטים: פליטה ואחיזות (susceptibility). אם כן, ל-EMC יש את היכולת של מערכת אלקטרונית לפעול כראוי בסביבה האלקטרו-מגנטית המתוכננת מבלי ליצור הפרעות אלקטרו-מגנטיות בלתי-נסבלות לסביבה זו. מאמר זה דן בתהליך העלאת רמת ההגנה עבור אחיזות EMC של פיתחות RS-485 כנגד שלוש תופעות המעבר העיקריות.
ה-International Electrotechnical Commission
() היא הארגון העולמי המוביל המכין ומפרסם תקנים בינלאומיים עבור כל הטכנולוגיות החשמליות, האלקטרוניות והקשורות בהן. מאז 1996, כל ציוד אלקטרוני הנמכר לקהילה האירופית או בתוכה חייב לענות לרמות ה-EMC המוגדרות במפרטי IEC 61000-4-x.
מפרטי IEC 61000 מגדירים את מכלול דרישות החסינות ל-EMC הישימות בציוד חשמל ואלקטרוניקה המתוכנן לסביבות של מגורים, מסחריות ושל תעשייה קלה. מכלול זה של מפרטים כולל שלושה סוגי תופעות מעבר של מתח גבוה שהמתכננים באלקטרוניקה חייבים להתחשב בהם לצורכי קווי תקשורת הנתונים:
IEC 61000-4-2 פריקה אלקטרו-סטטית (electrostatic discharge – ESD)
IEC 61000-4-4 תופעות מעבר חשמליות מהירות (electrical fast transients – EFT)
IEC 61000-4-5 חסינות לנחשול
(surge immunity)
כל אחד ממפרטים אלה מגדיר שיטת בדיקה לשם קביעת חסינות הציוד האלקטרוני והחשמלי כנגד התופעות המוגדרות. הפרקים הבאים מסכמים כל אחת מבדיקות אלה.
פריקה אלקטרו-סטטית
ESD הוא מעבר פתאומי של מטען אלקטרו-סטטי בין גופים בעלי פוטנציאל שונה, הנוצר ממגע קרוב או מושרה על-ידי שדה חשמלי. יש לו את המאפיינים של זרם גבוה בפרק זמן קצר. המטרה הראשונית של בדיקת ה-IEC 61000-4-2 היא לקבוע את חסינות המערכות לאירועי ESD חיצוניים מחוץ למערכת במהלך הפעולה. IEC 61000-4-2 מתאר בדיקות תוך שימוש בשתי שיטות צימוד. אלה ידועות כפריקת מגע ופריקת חריץ-האוויר. פריקת המגע מורכבת ממגע ישיר בין תותח הפריקה והיחידה הנבדקת. במהלך בדיקת פריקת האוויר, האלקטרודה הטעונה של תותח הפריקה מועברת אל היחידה הנבדקת עד שמתרחשת פריקה בצורת קשת לאורך חריץ האוויר. תותח הפריקה איננו נמצא במגע ישיר עם היחידה הנבדקת. מספר גורמים משפיעים על תוצאות ותדירות בדיקת פריקת האוויר, כולל לחות, טמפרטורה, לחץ ברומטרי, מרחק וקצב ההתקרבות ליחידה הנבדקת. שיטה זו מהווה הצגה טובה יותר של אירוע ESD אמיתי, אך איננה תדירה באותה המידה. לכן, פריקת המגע היא שיטת הבדיקה המועדפת.
במשך הבדיקה, פיתחת הנתונים נתונה ל-10 פריקות יחידות חיוביות ו-10 שליליות לפחות עם פרק זמן של שנייה אחת בין כל פולס. בחירת מתח הבדיקה תלויה בסביבת הסיום של המערכת. הבדיקה המוגדרת כגבוהה ביותר היא רמה 4, המגדירה מתח פריקת מגע של ±8kV ומתח של פריקת אויר של ±15kV.
איור 1 מראה את צורת הגל של זרם פריקת המגע של 8 קילו-וולט כמתואר במפרט. חלק מפרמטרי צורת-הגל העיקריים הם זמן עלייה של פחות מ-1 ננו-שנייה ורוחבי-פולס של כ-60 ננו-שניות. דבר זה שווה-ערך לפולס בעל אנרגיה כוללת בתחום של עשרות mJ.
תופעות-מעבר חשמליות מהירות
בדיקת תופעות מעבר חשמליות מהירות כוללת מספר אימפולסים מהירים ביותר לתוך קווי האותות כדי להציג הפרעות-מעבר הכרוכות במעגלי מיתוג חיצוניים הצמודים קיבולית לתוך פיתחת התקשורת, היכולות לכלול קפיצות של מגע המתג או תופעות מעבר הנובעות ממיתוג עומסים השראתיים או קיבוליים – כולן מאוד נפוצות בסביבות תעשייתיות. בדיקת ה-EFT המוגדרת ב-IEC61000-4-4 מנסה לדמות את ההפרעה הנובעת מסוג זה של אירועים.
איור 2 מראה את צורת-הגל של העומס של 50 אוהם של EFT. צורת-הגל של EFT מתוארת במונחים של מתח על-פני עכבה של 50 אוהם ממחולל בעל עכבת-מוצא של 50 אוהם. צורת הגל במוצא מורכבת מהתפרצות (burst) של 15 מילי-שניות של תופעות מעבר במתח גבוה של 2.5 קילו-הרץ עד 5 קילו-הרץ, החוזרת בפרקי זמן של 300 מילי-שניות. לכל פולס בודד יש זמן עלייה של 5 ננו-שניות ומשך של 50 ננו-שניות, הנמדד בין נקודת ה-50% בין גבולות העלייה והירידה של הגל. האנרגיה הכוללת בפולס EFT בודד דומה לזו של פולס ESD. האנרגיה הכוללת של פולס יחיד היא לרוב 4mJ. מתחים המחוברים לפיתחות הנתונים יכולים להיות גבוהים עד כדי 2 קילו-וולט.
התפרצויות-מעבר מהירות אלה משולבות לתוך קווי התקשורת תוך שימוש בכליבה (clamp) קיבולית. ה-EFT מחובר קיבולית לתוך קווי התקשורת על-ידי הכליבה ולא במגע ישיר. דבר זה מקטין את העומס הנגרם על-ידי עכבת המוצר הנמוכה של מחולל ה-EFT. קיבול הצימוד בין הכליבה והכבל תלוי בקוטר הכבל, סיכוך ובידוד הכבל.
נחשולי-מעבר
(surge transients)
נחשולי-מעבר נוצרים על-ידי מתח-היתר מתופעות המעבר של מיתוג או של ברקים. מיתוגי-מעבר יכולים לנבוע ממיתוג ספק הכוח, שינויי עומס במערכות חלוקת ההספק או כשלי מערכת שונים כגון קצרים. תופעות-מעבר של ברקים יכולות לנבוע מזרמים ומתחים גבוהים המוזרקים לתוך המעגל ממכות ברק קרובות. IEC 61000-4-5 מגדיר צורות-גל, שיטות בדיקה ורמות בדיקה לשם הערכת החסינות נגד נחשולים הרסניים אלה.
צורות-הגל מוגדרות כמוצאים של מחולל צורות-גל במונחים של מתח במעגל נתק וזרם במעגל קצר. שתי צורות-גל מתוארות. צורת-הגל המשולבת 10/700µs משמשת לבדיקת פיתחות שנועדו לחיבור לקווי תקשורת סימטריים: לדוגמה, קווי מרכזות טלפון. מחולל צורות-הגל המשולב 1.2/50µs משמש בכל המקרים האחרים, במיוחד בחיבורי אותות במרחק קצר. עבור פיתחת RS-485 צורת הגל 1.2/50µs משמשת לרוב ותידון בפרק זה. למחולל צורות-הגל יש עכבת מוצא יעילה של 2 אוהם; לכן, לנחשול-המעבר יש זרמים גבוהים הקשורים בו.
איור 3 מראה את צורת הגל של נחשול מעבר 1.2/50µs. ל-ESD ו-EFT יש זמני עלייה, רוחבי-פולס ורמות אנרגיה דומים; אולם, לפולס הנחשול יש זמן עלייה של 1.25µs ורוחב הפולס הוא 50µs. בנוסף, אנרגיית פולס הנחשול יכולה להגיע כמעט עד 90J, שהם שלושה עד ארבעה סדרי גודל גדול יותר מאשר האנרגיה בפולס ESD או EFT. לכן, נחשול המעבר נחשב לחמור ביותר בין מעברי ה-EMC. בגין הדמיון בין ESD ו-EFT, תכנון הגנת המעגל יכול להיות דומה, אולם בשל האנרגיה הגבוהה שלו, יש לטפל בנחשול בצורה שונה. זוהי אחת הסוגיות העיקריות בפיתוח הגנה המשפרת את חסינות פיתחות הנתונים של כל שלושת תופעות המעבר על אף שהיא נשארת יעילה לעלות.
נגדים משלבים את תופעת המעבר של הנחשול לתוך קו התקשורת. איור 4 מראה את רשת הצימוד עבור התקן RS-485 חצי-דופלקס. הסכום המקבילי הכולל של הנגד הוא 40 אוהם. עבור התקן החצי-דופלקס, כל נגד הוא של 80 אוהם.
במהלך בדיקת הנחשול, מחברים חמישה פולסים חיוביים וחמישה פולסים שליליים אל פיתחות הנתונים תוך פרק זמן מרבי של דקה אחת בין כל פולס. התקן קובע שיש לכוון את ההתקן בתנאי הפעלה רגילים במשך כל הבדיקה.
קריטריונים של
מעבר/כשל
כאשר מחברים תופעות מעבר למערכת הנבדקת, התוצאות מסווגות לפי ארבעה קריטריונים של מעבר/כשל. להלן רשימה של קריטריוני המעבר/כשל הכוללת דוגמאות על כיצד כל אחד מהם עשוי להיות קשור למקמ”ש RS-485:
• ביצועים רגילים; לא יופיעו שגיאות ביט במהלך או לאחר שתופעת המעבר מופעלת
• הפסד זמני של תפקוד או הפחתה זמנית של ביצועים שאינה דורשת התערבות של מפעיל; שגיאות ביטים עלולות להופיע במהלך ובתקופת זמן קצרה לאחר חיבור תופעת המעבר
• הפסד זמני של תפקוד או הפחתה זמנית של הביצועים הדורשים התערבות של מפעיל; אירוע נעילה לא-רצויה (latch up) שעלול להופיע ויכול להיות מבוטל לאחר איפוס הכוח ללא הפסד קבוע של תפקוד או הפחתת הביצועים של ההתקן
• הפסד התפקוד עם נזק קבוע לציוד; ההתקן נכשל בבדיקה.
הקריטריון A הוא הרצוי ביותר בעוד הקריטריון D הוא בלתי-קביל. נזק קבוע גורם לזמן השבתת המערכת ולהוצאות על התיקון וההחלפה. עבור מערכות קריטיות למשימה, סיווגים B ו-C יהיו גם בלתי-קבילים, מאחר שהמערכת חייבת לפעול ללא שגיאות במהלך אירועי מעבר.
הגנה בפני תופעות-מעבר
כאשר מתכננים מעגלים להגנה בפני תופעות-מעבר, המתכנן צריך להביא בחשבון נושאים עיקריים אחדים:
1. המעגל חייב למנוע או להגביל את הנזק הנגרם עקב תופעת-המעבר ולאפשר למערכת לחזור לפעולה רגילה תוך השפעה מזערית על הביצועים.
2. סכימת ההגנה צריכה להיות מספיק רובוסטית כדי לטפל בסוג תופעות-המעבר ורמות המתח אשר יופעלו על המערכת בשדה.
3. משך הזמן הקשור לתופעת-המעבר הוא גורם חשוב. עבור תופעות-מעבר ארוכות, השפעות החימום עשויות לגרום כשל של סכמות הגנה מסוימות.
4. בתנאים רגילים, מעגלי ההגנה לא צריכים להפריע לפעולת המערכת.
5. אם מעגלי ההגנה כושלים בזמן של מתח-יתר, הם צריכים לכשול באופן אשר יגן על המערכת.
איור 5 מראה סכמת הגנה טיפוסית, הניתנת לאפיון כבעלת הגנה ראשונית ומשנית. ההגנה הראשונית, אשר מרחיקה את עיקר אנרגיית המעבר מהמערכת, ממוקמת לרוב בממשק בין המערכת והסביבה. היא מיועדת להרחיק את רוב האנרגיה על-ידי הארקתה של תופעת-המעבר.
הגנה משנית מגנה על חלקים שונים של המערכת ממתחי מעבר וזרמי מעבר אשר חדרו את ההגנה הראשונית. היא מיוטבת כדי להבטיח שהיא מגנה נגד תופעות-מעבר שרידיות אלה תוך מתן אפשרות לפעולה רגילה של חלקים רגישים אלה במערכת. חיוני שהן התכנון הראשוני והן המשני יכוונו לפעול ביחד עם ה-I/O של המערכת כדי למזער את המאמץ על המעגל המוגן. תכנונים אלה כוללים לרוב רכיב תואם כגון נגד או התקן הגנה בפני זרם-יתר לא-ליניארי בין התקני ההגנה הראשוני והמשני כדי להבטיח שאכן חל התאום הנדרש.
רשתות ביטול תופעות מעבר ב-RS-485
באופן טבעי, אירועי מעבר EMC משתנים בזמן כך שהביצועים הדינמיים והתאמת המאפיינים הדינמיים של רכיבי ההגנה עם דרגת המבוא/מוצא של ההתקן המוגן מאפשרים תכנון EMC מצליח. דפי הנתונים של הרכיבים כוללים ככלל רק נתוני dc, שהם בעלי ערך מוגבל מאחר שהכשלים הדינמיים ומאפייני ה-I/V עשויים להיות די שונים. ערכי ה-dc דורשים תכנון זהיר, אפיון והבנת הביצועים הדינמיים של דרגות המבוא/מוצא של ההתקן המוגן ורכיבי ההגנה כדי להבטיח שהמעגל עונה לתקני ה-EMC.
המעגלים המוצגים באיור 6 מראים שלושה פתרונות תואמי EMC המאופיינים במלואם. כל פיתרון אושרר על-ידי מעבדת בדיקות עצמאית חיצונית כתואם EMC, וכל אחד מהם מספק רמות עלות/הגנה שונות עבור המקמ”ש ADM3485E 3.3 V RS-485 עם הגנת ESD משופרת על-ידי שימוש במבחר רכיבי הגנה חיצונית למעגלים של Bourns. רכיבי ההגנה החיצונית של מעגלי Bourns אשר שימשו כוללים מבטלי מתחי מעבר (CDSOT23-SM712), יחידת חסימת תופעות-מעבר (TBU-CA065-200-WH), מגני נחשול תיריסטור (TISP4240M3BJR-S) ושפופרות פריקת-גז (2038-15-SM-RPLF).
כל פיתרון אופיין כדי להבטיח שביצועי ה-I/V הדינמיים של רכיבי ההגנה מגנים על המאפיינים הדינמיים של פיני האפיק ADM3485E RS-485 כך שהתלות בין דרגת המבוא/מוצא של ה-ADM3485E ורכיבי ההגנה החיצוניים פועלים יחדיו כדי להגן בפני אירועי מעבר.
סכימת ההגנה 1
כמתואר מקודם, לתופעות המעבר של EFT ו-ESD יש רמות אנרגיה דומות, בעוד שלצורת-הגל של הנחשול יש רמות אנרגיה גדולות פי שלושה או ארבעה מונים. ההגנה בפני ESD ו-EFT מבוצעת בצורה דומה, אולם הגנה בפני רמות גבוהות או נחשולים דורשת פיתרונות מורכבים יותר. הפיתרון הראשון המתואר כאן מגן עד רמה 4 ESD ו-EFT ורמה 2 נחשול. צורת-הגל 1,2/50µs משמשת בכל בדיקות הנחשולים המתוארות במאמר זה. פיתרון זה משתמש במערך מבטל מתח המעבר
(transient voltage suppressor – TVS), המורכב משתי דיודות TVS דו-כיווניות המיוטבות לשם הגנה על מערכות
RS-485 עם מתח-יתר מזערי תוך אפשרות של התחום המלא של שינויים בערכי האותות והמוד המשותף RS-485
(-7 וולט עד +12 וולט) במקמ”ש
ה-RS-485. טבלה 1 מראה את רמות המתח המוגנות בפני תופעות מעבר של ESD, EFT ונחשולים.
TVS הוא התקן מבוסס-סיליקון. בתנאי פעולה רגילים, ל-TVS יש עכבה גבוהה להארקה; באופן אידיאלי זהו מעגל פתוח. ההגנה מושגת על-ידי ריתוק (clamping) מתח-היתר מתופעת-מעבר למתח גבולי. דבר זה נעשה על-ידי מפולת (avalanche) של העכבה הנמוכה של צומת PN. כאשר מופק מתח מעבר גדול יותר ממתח הפריצה של ה-TVS, ה-TVS מרתק את תופעת המעבר לרמה קבועה מראש שהיא פחותה ממתח הפריצה של ההתקנים המוגנים. תופעות המעבר מרותקות מידית (פחות מ-1 ננו-שנייה) וזרם המעבר מוסט מההתקן המוגן אל האדמה.
חשוב להבטיח שמתח הפריצה של ה-TVS הוא מחוץ לתחום הפעולה הרגיל של הפינים המוגנים. המאפיין המיוחד במינו של ה-CDSOT23-SM712 הוא בכך שיש לו מתחי פריצה אסימטריים של
+13.3 וולט ו-7.5 – וולט כדי להתאים לתחום המוד המשותף של המקמ”ש של +12 וולט עד -7 וולט, המספק לכן הגנה מיטבית תוך מזעור השפעות מתח-היתר במקמ”ש ADM3485E RS-485.
סכימת ההגנה 2
הפיתרון הקודם מגן על ESD ו-EFT עד רמה 4 אך על נחשול רק ברמה 2. כדי לשפר את רמת ההגנה של הנחשול, מעגל ההגנה הופך למורכב יותר. סכמת ההגנה הבאה תגן עד רמה 4 של נחשול.
ה-CDSOT23-SM712 מתוכנן במיוחד עבור פיתחות הנתונים של RS-485. שני המעגלים הבאים מבוססים על CDSOT23-SM712 כדי להבטיח רמות גבוהות יותר של הגנה על המעגלים. ה-CDSOT23-SM712 מספק הגנה משנית בעוד ה-TISP4240M3BJR-S מספק את ההגנה הראשונית. התאום בין התקני ההגנה הראשונית והמשנית וההגנה בפני זרם-יתר מבוצע תוך שימוש ב-TBU-CA065-200-WH. טבלה 2 מראה את רמות המתח המוגנות בפני ESD, EFT ותופעות-מעבר של נחשולים בעזרת מעגל הגנה זה.
כאשר מפעילים תופעת-מעבר על מעגל ההגנה, ה-TVS ייכשל, ויגן על ההתקן על-ידי הספקת נתיב בעל עכבה נמוכה לאדמה. עם מתחים וזרמים גבוהים, יש להגן גם על ה-TVS על-ידי הגבלת הזרם העובר דרכו. דבר זה נעשה תוך שימוש ביחידת חסימת-תופעות מעבר
(transient blocking unit – TBU), שהוא מרכיב אקטיבי מהיר להגנה בפני זרמי-על. ה-TBU בפיתרון זה הוא
ה-TBU-CA065-200-WH של Bourns.
TBU חוסם זרם במקום לקצר אותו לאדמה. בתור רכיב טורי, הוא מגיב לזרם דרך ההתקן ולא דרך המתח על-פני הממשק. TBU הוא רכיב הגנה בפני זרמי-על מהיר בעל גבול זרם הנקבע מראש ויכולת עמידה במתחים גבוהים. כאשר זרם-על מופיע וה-TVS כושל בשל אירוע המעבר, הזרם ב-TBU יעלה לרמת הגבלת הזרם שנקבעה על-ידי ההתקן. בנקודה זו, ה-TBU מנתק את המעגלים המוגנים מהנחשול בפחות ממיקרו-שנייה אחת. במשך שארית תופעת המעבר, ה-TBU נשאר במצב החסימה המוגנת, כאשר זרם מאוד נמוך (פחות ממילי-אמפר אחד) עובר דרך המעגל המוגן. בתנאי הפעלה רגילים, ה-TBU מציג עכבה נמוכה, כך שיש לו השפעה מזערית על הפעולה הרגילה של המעגל. במצב חסימה, יש לו עכבה גבוהה מאוד לשם חסימת אנרגיית המעבר. לאחר אירוע המעבר, ה-TBU מתאפס אוטומטית למצב העכבה הנמוכה שלו ומאפשר חידוש הפעולה הרגילה של המערכת.
כמו כל טכנולוגיות ההגנה בפני זרם-על, ל-TBU יש מתח פריצה מרבי, כך שהתקן הגנה ראשוני חייב להצמיד את המתח ולכוון מחדש את אנרגיית המעבר לאדמה. דבר זה נעשה לרוב תוך שימוש בטכנולוגיות דוגמת שפופרות פריקת גז או תיריסטורים במצב מוצק, כמו מגן הנחשול המשולב במלואו
(totally integrated surge protector – TISP). ה-TISP פועל כהתקן הגנה ראשוני. כאשר מתח ההגנה עולה על הרמה המוגדרת מראש שלו, הוא מספק נתיב crowbar בעל עכבה נמוכה לאדמה, ובכך מסיט את רוב אנרגיית המעבר מחוץ למערכת ומהתקני הגנה אחרים.
המאפיין מתח-זרם הלא-ליניארי של ה-TISP מגביל את מתח-היתר על-ידי הטיית הזרם הנוצר. בתור תיריסטור, ל-TISP יש מאפיין מתח-זרם בלתי-רציף הנגרם על-ידי פעולת המיתוג בין תחומי המתח הגבוה והנמוך. איור 8 מראה את המאפיין מתח-זרם של ההתקן. לפני שהתקן ה-TISP מתמתג למצב של מתח נמוך, עם עכבה נמוכה לאדמה כדי לקצר את אנרגיית המעבר, נגרמת פעולת הידוק על-ידי תחום הפריצה במפולת (avalanche). בשעה שהוא מגביל את מתח-היתר, המעגל המוגן ייחשף למתח גבוה למשך פרק הזמן הקצר שהתקן ה-TISP נמצא בתחום הפריצה לפני שהוא ממותג למצב מוגן במתח נמוך. ה-TBU יגן על המעגל במורד הזרם בפני זרמים גבוהים הנובעים ממתח גבוה זה. כאשר הזרם המוסט נופל מתחת לערך קריטי מסוים, התקן ה-TISP מתאפס אוטומטית ומאפשר חידוש הפעולה הרגילה של המערכת.
כמתואר, כל שלושת הרכיבים פועלים יחד בקשר עם ה-I/O של המערכת כדי להגן על המערכת בפני מתח גבוה ותופעות-מעבר של זרם.
סכימת ההגנה 3
לעתים קרובות דרושות רמות הגנה מעל נחשול ברמה 4. סכימת הגנה זו תגן על פיתחות ה-RS-485 עד תופעות-מעבר של 6 קילו-וולט נחשול כולל. היא פועלת בצורה דומה לסכימת ההגנה 2, אבל במעגל זה, שפופרת פריקת גז
(gas discharge tube – GDT) משמשת במקום ה-TISP כדי להגן על ה-TBU, אשר בתורו מגן על ה-TVS, התקן ההגנה המשני. ה-GDT יספק הגנה לחצי מתח-היתר וזרם-היתר הגבוהים יותר מאשר ה-TISP המתואר בסכימת ההגנה הקודמת. ה-GDT עבור סכימת הגנה זו הוא
ה-2038-15-SM-RPLF של Bourns.
ה-TISP מוגדר ל-220 אמפר לעומת ההגדרה של GDT של 5 קילו-אמפר למוליך. טבלה 3 מראה את רמות ההגנה המסופקות על-ידי תכנון זה.
GDT, המשמש בעיקר כהתקן הגנה ראשוני, מספק נתיב של עכבה נמוכה לאדמה כדי להגן בפני תופעות-מעבר של מתח-יתר. כאשר מתח המעבר מגיע למתח התפרקות של ה-GDT, ה-GDT יתמתג ממצב של עכבה גבוהה למצב של קשת. במצב של קשת, ה-GDT הופך לקצר מדומה, ומספק נתיב זרם crowbar לאדמה תוך הסטת זרם המעבר הרחק מההתקן המוגן.
איור 9 מראה מאפיינים טיפוסיים של GDT. כאשר המתח על-פני ה-GDT עולה, הגז בתוך השפופרת מתחיל לעבור יינון בשל המטען המתפתח בתוכו. דבר זה מוכר כאזור הזוהר (glow region). באזור זה, זרימת הזרם המוגברת תיצור תופעת מפולת אשר תעביר את ה-GDT למעגל קצר מדומה, ותאפשר לזרם לעבור דרך ההתקן. במהלך אירוע הקצר המתח המתפתח על-פני ההתקן ידוע כמתח קשת (arc voltage). זמן המעבר בין אזור הזוהר ואזור הקשת תלוי מאוד במאפיינים הפיסיקליים של ההתקן.
סיכום
המאמר תיאר את שלושת תקני
ההתייחסות של IEC הדנים בחסינות תופעות המעבר. ביישומי תעשייה ממשיים, פיתחות תקשורת RS-485 החשופות לתופעות מעבר אלה יכולות להינזק. בעיות EMC המתגלות מאוחר במחזור תכנון המוצר יכולות לדרוש תכנון מחדש יקר ויכולות לגרום לעתים קרובות לחריגות בלוח-הזמנים. לכן יש להתייחס לבעיות EMC בתחילת מחזור התכנון ולא בשלב מאוחר יותר כאשר עלול להיות מאוחר מידי כדי להשיג את ביצועי ה-EMC הרצויים.
אתגר המפתח בתכנון של פתרונות תואמי EMC עבור רשתות RS-485 הוא התאמת הביצועים הדינמיים של רכיבי ההגנה החיצוניים עם הביצועים הדינמיים של מבנה המבוא/מוצא של התקן ה-RS-485.
מאמר זה הציג שלושה פתרונות תואמי EMC שונים עבור פיתחות התקשורת של RS-485, והציע למתכנן אופציות התלויות ברמת ההגנה הדרושה.
ה-EVAL-CN0313-SPDZ הוא כלי התכנון תואם ה-EMC הראשון בשוק המספק רמות הגנה עד לרמה 4 עבור ESD, EFT ונחשול. רמות ההגנה המוצעות על-ידי סכמות ההגנה השונות מסוכמות בטבלה 4. בעוד כלי תכנון אלה אינם מחליפים את ההתמדה וההכשרה הדרושות ברמת המערכת, הם מאפשרים למתכנן להקטין את סיכון חריגת הפרויקט בשל בעיות EMC בתחילת מחזור התכנון, ובכך להפחית את משך התכנון והזמן לשיווק. עבור מידע נוסף, אנא בקרו באתר החברה.
סימוכין
ADM3485E Data Sheet.
Analog Devices Interface and Isolation. http://www.analog.com/en/interface-isolation/products/index.html.
Bourns Telecom Protection Guide. www.bourns.com/data/global/pdfs/bourns_circuit_protection_selection_guide.pdf.
CDSOT23-SM712. www.bourns.com/pdfs/CDSOT23-SM712.pdf.
Electromagnetic Compatibility (EMC) Part 4-2: Testing and Measurement Techniques-Electrostatic Discharge Immunity Test (IEC 61000-4-2:2008 (Ed. 2.0)).
Electromagnetic Compatibility (EMC) Part 4-4: Testing and Measurement Techniques-Electrical Fast Transient/Burst Immunity Test (IEC 61000-4-4:2012 (Ed. 3.0)).
Electromagnetic Compatibility (EMC) Part 4-5: Testing and Measurement Techniques-Surge Immunity Test (IEC 61000-4-5:2005 (Ed. 2.0)).
EVAL-CN0313-SDPZ. www.analog.com/RS485emc.
GDT First Principles. www.bourns.com/pdfs/bourns_gdt_white_paper.pdf.
Marais, Hein. Application Note AN-960. RS-485/RS-422 Circuit Implementation Guide, April, 2008.
TBU-CA065-200-WH. www.bourns.com/data/global/pdfs/TBU-CA.pdf.
TISP4240M3BJR-S. www.bourns.com/data/global/pdfs/TISP4xxxM3BJ.pdf.
2038-15-SM-RPLF. www.bourns.com/data/global/pdfs/2038-xx-SM.pdf.
מחברים
James Scanlon הוא מהנדס הערכה בכיר ב-.Analog Devices, Inc הוא קיבל את ה-BE בהנדסת אלקטרוניקה מה-University College Dublin ב-2001
וה-M.Eng. במערכות VLSI מ-University of Limerick ב-2008. ב-2001 הוא הצטרף ל-Analog Devices, Limerick, Ireland כמהנדס הערכת תכנונים המתמחה במזיני דיודות לייזר. הוא עובד כעת בקבוצת טכנולוגיית הממשק והבידוד, ועוסק בעיקר במגוון רחב של מקמ”שים.
Koenraad Rutgers הוא מהנדס יישומי שדה בכיר ב-Bourns, Inc.. הוא ניהל מקודם את צוות הגנת המעגלים של Asian Telecom ומנהל כעת את פיתוח המוצרים החדשים עבור חטיבת המוליכים למחצה. הישגי-המפתח שלו כוללים שילוב של פעילויות תכנון ייחוס עם תהליך פיתוח מוצרים חדשים והשקת מוצרי הגנת מעגלים ללקוחות בינלאומיים מרובים מהשורה הראשונה. Koenraad היה שותף בכתיבת שני מסמכי IEEE וארבעה פטנטים.
Copyright 1995- 2013 Analog Devices, Inc. All rights reserved.
