RS-485: Защита узлов шин от переходных процессов

Автор: Томас Кюгельштадт, старший инженер по использованию, Texas Instruments
Перевод с английского: Логинов В.А.
Источник: http://i.cmpnet.com/industrialcontroldesignline/2009/..Nodes.pdf. Также Вы можете просмотреть английский вариант этой статьи в моей библиотеке

Существенные убытки от простоя промышленной сети из-за неисправностей в работе, вызванных электрическими перенапряжениями приводят к необходимости защиты узлов сети, особенно от переходных режимов, вызванных электростатическими разрядами, индуктивными переключениями и ударами молний. По этой причине Международная Электротехническая Комиссия (International Electrotechnical Commission, IEC) установила три стандарта по проверке защищенности от переходных режимов для обеспечения функционирования линий связи во время и после испытания.

В данной статье коротко описываются эти проверочные испытания и предлагается использовать промышленный кабель RS-485 в сочетании с низкоемкостным ограничителем переходного напряжения как наиболее эффективный способ защиты сети.

Испытания по определению защищенности

ЭСР, проверка стойкости к электростатическому разряду (IEC61000-4-2)
БПП, стойкость к быстропротекающим процессам или защищенность от всплесков напряжения
(IEC61000-4-4)
Защищенность от перенапряжений (IEC61000-4-5)

При ЭСР испытании имитируется электростатический разряд человека на электронную технику. Тестовые импульсы, генерируемые ЭСР генератором, очень малой длительности (менее 100 нс) и имеют малое время нарастания – около 1 нс. Такие проверочные импульсы обладают малой мощностью, но способны создать достаточно большие токи для пробоя электрической схемы защиты трансивера (приёмопередатчика). Минимальная ЭСР тестовая последовательность состоит из 20-ти разрядов: 10 импульсов положительной полярности и 10 импульсов отрицательной полярности. Между каждым импульсом создается пауза длительностью в одну секунду.

При БПП тестировании имитируются обычные ежедневные коммутационные переходные процессы, вызванные индуктивным переключением, дребезгом контактов реле и пр. В сравнении с ЭСР тестированием с его одиночными тестовыми импульсами, БПП генератор создает целую последовательность импульсов, называемую пачкой. Каждый пачка содержит примерно 15000 переходов (импульсов). В целом тестовая последовательность из 10-секундных пачек и 10-секундной паузы между ними создает около миллиона импульсов за минуту. Если однократные импульсы непродолжительны (рис.1) и, следовательно, маломощные, то просто бесконечная бомбардировка трансивера уже бросает серьезный вызов его внутренним защитным ячейкам.

Испытание на перенапряжение – наиболее трудное испытание из всех, т.к. здесь имитируется удар молнии. Переходы, создаваемые генератором перенапряжения, примерно в 1000 раз продолжительней по сравнению с ЭСР и БПП переходами. Вдобавок, низкое полное сопротивление генератора позволяет протекание большого тока при высоком напряжении, т.е. позволяет создать мощный импульс. Из-за высокой мощности импульсов тестовая последовательность обычно состоит из пяти положительных и пяти отрицательных перенапряжений с временным интервалом между импульсами, равным минуте или меньше.

Рисунок 1 – Примеры импульсов: а) ЭСР; б) пачка; в) перенапряжение

Примечание: токи и напряжения нормированы. Абсолютные величины приведены в стандарте

Защита узлов шины

Использование более качественного промышленного кабеля RS-485 вместо плоского кабеля, или САТ5 позволит исключить основную долю переходной энергии, индуцированную в линиях шины. Кабели, подобные Belden 3107A (рис.2), обладают плетеным экраном, который существенно уменьшает накопление шумов в сигнальных проводниках. А это, в свою очередь, означает снижение влияния на последующие цепи защит от переходных режимов.

Рисунок 2 – Промышленный экранированный кабель RS-485 с дренажным проводом

Промышленный кабель RS-485, показанный на рисунке, является идеальным при симплексной и полудуплексной передаче данных. Такой кабель даёт возможность использовать одну пару проводов для передачи данных, а вторую – для заземления, снижая, таким образом, индуктивность обратной связи переходного тока. Следующим преимуществом является номинальное полное сопротивление кабеля величиной 120 Ом. Это гарантирует согласование сопротивлений с приёмопередающим устройством, так же как и дополнение кабеля дренажным проводом, который позволяет очень просто произвести заземление экрана. Следует заметить, что экран должен быть заземлен лишь одним концом кабеля, а лучше всего тем, который находится ближе к месту заземления шины с единственной точкой заземления.

На рис.3 упрощенно показана схема типичной узловой цепи RS-485 с защитными диодами TVS (transient voltage suppressor, ограничитель переходного напряжения), ограничивающими напряжение при переходных процессах. Этого не было до недавнего времени, пока не появилось возможности производства быстродействующих, низкоемкостных TVS диодов. Предыдущие решения по TVS достигали быстродействия порядка нескольких наносекунд, что оказывалось недостаточным для быстропротекающих переходных процессов ЭСР и БПП. При этом емкостная нагрузка превосходила 1000 нФ на одно TVS устройство, что делало невозможным создание эффективной защиты многоузловой сети без снижения скорости передачи до смехотворно малых значений.

Современные, более совершенные конструкции ограничителей имеют быстродействие порядка пикосекунд и, в зависимости от топологии и мощности, в основном обладают ёмкостью 10...100 пФ, позволяя, таким образом, защищать один узел шины.

При дифференциальной передаче сигналов, подобно RS-485, для эффективной защиты от реальных переходных режимов обычно необходимо использовать три ограничителя: два для защиты от обычных переходных процессов, возникающих между линией А и землей, и между линией Б и землей; третье TVS устройство необходимо для подавления дифференциальных переходов между линиями А и Б.

При помощи клемм, используемых в качестве соединителя для RS-485, подсоединяют передающий кабель к приёмопередатчику (XCVR). А три TVS диода используются для устранения обычных переходных процессов между линией А и землей, и между линией Б и землей, а также дифференциальных между линиями А и Б.

Рисунок 3 – Узел шины RS-485 с защитой от переходных режимов

На рис.4 показана симметричная вольтамперная характеристика (ВАХ) двунаправленного ограничителя переходного напряжения. При низких напряжениях, меньших напряжения непропускания V_НЕПР, супрессор (ограничитель) представляет собой для сигнальных линий очень большое сопротивление. Ток утечки в таком режиме составляет несколько микроампер. Т.е. создаются условия для нормальной передачи данных по линии. При использовании TVS для линии RS-485, напряжение непропускания должно быть выше максимального напряжения линии относительно земли, которое, согласно стандарту, составляет ±7 В. Следовательно, напряжение непропускания должно составлять V_ПР ≥ ±12 В.

При возникновении переходного процесса, когда потенциал шины превосходит напряжение пробоя VПР, TVS становится малым сопротивлением и ток течет через него на землю. Однако, динамическое сопротивление супрессора вызывает падение напряжения в устройстве, которое затем растёт пропорционально увеличению тока. Это напряжение обычно, называемое напряжением отсечки V_ОТС, может достигать значений до 35 В, явно выходя за диапазон максимальных напряжений приёмопередатчика.

Рисунок 4 – ВАХ TVS диода

Приёмопередатчики с высокой устойчивостью к ЭСР справляются с такими краткосрочными перенапряжениями, но для защиты менее устойчивых компонентов в схему следует включить рассчитанные на перенапряжение резисторы (последовательно в линию, см. рис.3). Эти резисторы (обычно 10...20 Ом) уменьшают токи при отсечке, таким образом, минимизируя токовый удар на ячейки ЭСР.

Кроме фатальных напряжений и токов, мир реальных переходных процессов преподносит нам огромное количество шумов в широком диапазоне. К примеру, ЭСР импульс имеет шум в частотном диапазоне приблизительно от 3 МГц до 3 ГГц. По этой причине, для устойчивости схемы к электромагнитным помехам, дополнительно к ограничению переходного напряжения рекомендуется производить фильтрацию шумов и компоновку с учётом работы в высокочастотном диапазоне

Следующие рекомендации помогут осуществить подобный проект. Позаботьтесь о защите от переходных режимов, начиная с проектирования схемы:

Используйте четырёхслойную печатную плату с порядком слоёв: сигнальный слой, земля, питание, контрольный сигнальный слой.
Разместите землю следующей после сигнального слоя для получения контроля сопротивления путей и для обеспечения низкоиндуктивного пути для обратных токов.
Расположите TVS диоды как можно ближе к шинному соединителю. Это поможет предотвратить проникновение переходных токов в схему.
Установите шунтирующие конденсаторы (10...100 нФ) как можно ближе у каждой микросхемы на плате.
Подсоедините к слою «земля» супрессоры и шунтирующие конденсаторы множеством сквозных проводников (vias), как минимум, по два проводника на каждый вывод.
Для устранения влияния электромагнитных помех установите в приёмопередатчике обычный RC-фильтр.

Заметьте, что из-за протекания высокочастотного тока по пути с наименьшей индуктивности, большинство рекомендаций выше нацелено на отвод высокочастотных шумов по низкоиндуктивным путям.

Заключение

Передовые ограничительные диоды позволяют эффективно защищать каждый узел шины сети RS-485. Применение эффективной защиты от переходных режимов приводит к дополнительным начальным затратам, но такая защита в дальнейшем защитит от непомерных затрат из-за последующих неудач, простоя сети и, возможно, отзыва продукции.

Ссылки

Инструкция по применению RS-485: www.ti.com/rs485-ca2.
Мастер выбора интерфейса: www.ti.com/interface-ca.
Для получения информации по низкоемкостным ограничителям переходного напряжения, посетите сайты: www.protekdevices.com, www.semtech.com и www.vishay.com.
Информация о промышленном кабеле RS-485: www.Beldencable.com.

Об авторе

Томас Кюгельштадт – старший инженер по использованию компании Texas Instruments (TI), где является ответственным за оценку новых высокопроизводительных аналоговых устройств и разработку систем, выявляющих и улучшающих характеристики маломощных аналоговых сигналов в промышленных системах. За свои 20 лет работы в TI автор был назначен на различные должности согласно своей специализации в Европе, Азии и США. Томас закончил Университет Прикладных Наук (Франкфурт). Связаться с ним можно по адресу: ti_thomaskugelstadt@list.ti.com.

(read this article in English)