新基建机遇下的产品设计, 你需要做好网络连接的“基建“

2020-05-28来源: EEWORLD关键字:新基建

前不久,中国电子信息产业发展研究院发布业内首份《“新基建”发展白皮书》。《白皮书》预计到2025年,5G基建、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网等七大领域“新基建”直接投资将达10万亿元左右,带动投资累积或超17万亿元。

 

 

可以预见,万物互联、赋能未来新型信息基础设施将为智能经济的发展和产业数字化转型提供强大的底层支撑,基于云计算、大数据、AI等新一代IT技术的新一代科技互联网基础建设大潮也正式开启。作为产品设计,捕捉新基建的商机,同样需要做好系统设计的“基建”——通过构造安全可靠的无线网络(如5G、广域窄带、无线物联网等)和有线网络(CAN、RS485等)将采集的数据汇至云端,才能保障信息传输的“高速公路”畅通无阻,达到真正的万物互联。

 

通过RS485实现可靠有线网络,需解决典型高压瞬变防护

 

对于有线网络而言,RS485技术可谓是无所不在,其广泛应用于现场总线的各个领域,如工控行业、通讯行业、仪器仪表行业、安防行业、智能家居行业等,特别是工控行业,RS485的使用率几乎可以占到7成以上。而RS-485的这些关键特性使其成为工业与仪器仪表的理想选择:长距离链路(最长4000英尺);可在一对绞线电缆上双向通信;差分传输可提高共模噪声抗扰度,减少噪声辐射;可将多个驱动器和接收器连接至同一总线;宽共模范围(–7V至+12V)允许驱动器与接收器之间存在地电位差异。

 

在诸如新能源直流充电桩这样的很多新基建项目中,RS485应用同样很广泛。然而在具体使用过程中,由于RS485接口属于对外通讯接口,通常通讯线路处于产品(外壳)外部,也因此其电磁环境通常较为恶劣,如果没有进行专门的电磁兼容防护设计,将会导致传输网络受到严重的损害。针对此种现状,本文将分析ADI与Bourns产品结合,的EMC兼容RS485接口设计。

 

EMC防护的典型保护方案通常具有两重保护:主保护和次级保护。主保护可将大部分瞬变能量从系统转移开,通常位于系统和环境之间的接口。它旨在将瞬变分流至地,从而消除大部分能量。

 

次级保护的目的是保护系统各个部件,使其免受主保护允许通过的任何瞬态电压和电流的损坏。它经过优化,确保能够抵御残余瞬变影响,同时允许系统的敏感部分正常工作。主保护和次级保护的设计必须与系统I/O协同工作,从而最大程度地降低对受保护电路的压力,这点很重要。主保护器件与次级保护器件之间一般有一个协调元件,如电阻或非线性过流保护器件等,用以确保二者协同应对瞬变。

 

Figure 5

 

典型保护方案框图

 

就特性而言,EMC瞬态事件在时间上会有变化,因此保护元件必须具有动态性能,而且其动态特性需要与受保护器件的输入/输出极相匹配,这样才能实现成功的EMC设计。器件数据手册一般只包含直流数据,由于动态击穿和I/V特性可能与直流值存在很大差异,因此这些数据没有太多价值。必须进行精心设计并确定特性,了解受保护器件的输入/输出级的动态性能,并且使用保护元件,才能确保电路达到EMC标准。

 

实现不同级别的精准EMC防护,器件类型很关键

 

Figure 6

 

三个EMC兼容ADM3485E电路原理示意图

 

ADM3485E是一款3.3V低功耗数据收发器,提供±15kVESD保护,适用于多点总线传输线路的半双工通信,驱动器和接收器共用差分线路,但各自具有独立的使能输入。该器件具有12kΩ接收器输入阻抗,允许一条总线最多连接32个收发器。该器件具备多重保护功能:由于任一时间仅使能一个驱动器,因此禁用或关断驱动器的输出处于三态,避免总线过载;接收器具有故障安全特性,当输入浮地时,可确保输出保持逻辑高状态;热关断电路可防止总线竞争或输出短路导致功耗过大。尽管如此,针对具有增强ESD保护性能的ADM3485E3.3VRS-485收发器有必要提供不同的成本/保护级别的电路设计,下图所示电路显示了三种不同的完整的EMC兼容解决方案,每个解决方案都经过独立外部EMC兼容性测试公司的认证,各方案使用精选的Bourns外部电路保护元件。

 

保护方案1

 

EFT和ESD瞬变具有相似的能量水平,而电涌波形的能量水平则高出三到四个数量级。针对ESD和EFT的保护可通过相似方式实现,但针对高电涌级别的保护解决方案则更为复杂。第一个解决方案提供四级ESD和EFT保护及二级电涌保护。

 

此解决方案使用Bourns公司的CDSOT23-SM712瞬变电压抑制器(TVS)阵列,它包括两个双向TVS二极管,非常适合保护RS-485系统,过应力极小,同时支持RS-485收发器上的全范围RS-485信号和共模偏移(–7V至+12V)。

 

 

方案1保护级别

 

保护方案2

 

上一解决方案可提供最高四级ESD和EFT保护,但只能提供二级电涌保护。为了提高电涌保护级别,保护电路变得更加复杂。以下保护方案可以提供最高四级电涌保护。

 

CDSOT23-SM712专门针对RS-485数据端口设计。以下两个电路基于CDSOT23-SM712构建,提供更高级别的电路保护。CDSOT23-SM712提供次级保护,而TISP4240M3BJR-S提供主保护。主从保护器件与过流保护之间的协调通过TBU-CA065-200-WH完成。

 

 

方案2保护级别

 

保护方案3

 

针对四级以上的电涌保护,此保护方案可保护RS-485端口免受最高6kV电涌瞬变的影响。它的工作方式类似于保护解决方案2,但此电路采用气体放电管(GDT)取代TISP来保护TBU,进而保护次级保护器件TVS。GDT将针对高于前一种保护机制中所述TISP的过压和过流应力提供保护。此保护方案的GDT是Bourns公司的2038-15-SM-RPLF。TISP额定电流为220A,而GDT每个导体的额定电流为5kA。

 

 

方案3保护级别

 

结论

 

本文介绍了适用于RS485通信端口的三种不同EMC兼容解决方案,值得注意的是,EMC问题如果在产品设计周期后期才发现,可能导致需要重新设计,造成计划延迟,代价巨大。因此,EMC问题应在设计周期开始时就予以考虑,以达到实现所需EMC性能的效果。

关键字:新基建 编辑:muyan 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/IoT/ic498521.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

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