주요 과도현상(transient)의 유형을 살펴보고, RS-485 통신 포트 상에서 활용할 수 있는 세 가지 서로 다른 비용/보호 레벨의 EMC 호환 솔루션을 소개한다.



실제 사용되는 산업 및 계측(I&I) 애플리케이션에서 RS-485 인터페이스 링크는 열악한 전자기장 환경에서 작동해야 한다. 번개나 정전기, 그밖에 다른 전자기 현상으로 인한 높은 과도전압은 통신 포트에 손상을 줄 수 있다. 이 같은 데이터 포트가 최종 설치 환경에서도 온전히 작동하려면 특정한 전자파 적합성(electromagnetic compatibility, EMC) 규제를 충족해야 한다.
이러한 규제들은 정전기(electrostatic discharge, ESD), 전기적 급속 과도(electrical fast transient, EFT), 서지(Surge)의 세 가지 과도현상에 대한 내성(transient immunity) 표준을 포함한다.
EMC 관련 문제는 대부분 단순하거나 명확하지 않기 때문에 제품 설계 초기부터 이를 고려해야만 한다. 만약 설계 마지막 단계까지 이를 미뤄두었다가는 제작 예산과 일정에 차질이 생길 수 있다.
이 글에서는 이러한 주요 과도현상(transient)의 유형을 살펴보고, RS-485 통신 포트 상에서 활용할 수 있는 세 가지 서로 다른 비용/보호 레벨의 EMC 호환 솔루션을 소개한다.
아나로그디바이스와 번스(Bourns, Inc.)는 제휴를 통해 업계 최초로 EMC 표준에 부합하는 RS-485 인터페이스 설계 툴을 공동 개발하고 자체 시스템 중심적인 솔루션을 확대했다. 양사가 새로 개발한 툴은 IEC 61000-4-2 ESD, IEC 61000-4-4 EFT, IEC 61000-4-5 서지에 대해 최대 4단계까지의 보호 수준을 제공한다. 이 RS-485 인터페이스 개발 툴을 사용하면 설계자는 요구되는 보호 수준과 가용 예산에 맞춰 설계 방식을 선택할 수 있다. 또한 설계자는 설계 초기부터 EMC 관련 문제를 고려하게 되기 때문에, EMC 문제로 인해 프로젝트 일정에 차질이 생기는 위험을 줄일 수 있다.

RS-485 표준
산업 및 계측 애플리케이션에서는 여러 시스템 간의 데이터 전송이 필수적이며 전송 거리가 아주 먼 경우도 허다하다. RS-485 전기 표준은 산업 및 계측 애플리케이션에서 가장 폭넓게 사용되는 물리 계층 규격이다. 관련 애플리케이션으로는 산업 자동화, 공정 제어, 모터 제어, 모션 제어나 원격 장치, 건물 자동화(난방, 환기, 공조(HVAC) 등), 보안 시스템, 신재생에너지 등을 들 수 있다.
산업 및 계측 통신 애플리케이션용으로 적합한 RS-485의 주요 특성은 다음과 같다:

ㆍ최대 약 1.2 km에 이르는 장거리 링크
ㆍ트위스트 케이블(twisted cable) 한 쌍으로 가능한 양방향 통신
ㆍ차동 신호로 공통 모드 잡음 내성은 증가, 잡음 배출은 감소
ㆍ동일한 버스 상에 여러 개의 드라이버와 수신기 연결 가능
ㆍ넓은 공통 모드 범위(-7 V~+12 V)로 드라이버와 수신기 사이의 접지 전위차 허용
ㆍTIA/EIA-485-A로, 최대 수십 Mbps의 데이터 전송 속도 지원

TIA/EIA-485-A는 RS-485 인터페이스의 물리 계층을 설명하며 일반적으로 프로피버스(Profibus), 인터버스(Interbus), 모드버스(Modbus), 백넷(BACnet) 같은 상위 계층 프로토콜과 함께 사용된다. TIA/EIA-485-A를 사용하면 상대적으로 먼 거리 사이에 안정적인 데이터 전송이 가능하다.
그러나 실제 애플리케이션에서는 낙뢰, 전력 유도 및 직접 접촉, 전원 변동, 유도 스위칭(inductive switching)이나 정전기 등으로 큰 과도전압이 발생해 RS-485 송수신기가 손상될 수 있다. 그러므로 설계자는 장비가 이상적인 조건에서뿐 아니라 “실제 환경”에서도 작동할 수 있도록 확인해야 한다. 이러한 장비가 전기적으로 열악한 환경에서도 무리 없이 작동하는지 확인할 목적으로 정부 기관과 규제 기관이 EMC 표준을 도입했다. 이러한 표준을 준수하면 최종 사용자는 장비가 앞서 나열한 열악한 환경에서도 원하는 대로 작동할 것이라고 확신할 수 있다.

전자파 적합성
전자기 환경은 방사 및 전도 에너지로 구성되기 때문에 EMC에는 방출(Emission)과 감응(susceptibility)이라는 두 가지 측면이 존재한다. 따라서 EMC는 전자 시스템이 애초에 의도했던 전자기 환경에서 허용할 수 없는 전자파 방해(electromagnetic disturbance)를 야기하지 않고, 해당 환경에서 만족스러운 수준으로 기능하도록 하는 능력을 말한다. 이 글에서는 세 가지 주요 EMC 관련 과도현상에 대해 RS-485 포트의 EMC 감응의 보호 수준을 높이는 방법을 다룰 것이다.
국제전기표준회의(International Electrotechnical Commission, IEC)는 공신력 있는 국제 기구로 모든 전기, 전자 및 관련 기술에 대한 국제 표준을 마련해 발표한다. 1996년 이래로 유럽 공동체(European Community) 내에서 판매되는 모든 전자 장치는 IEC 61000-4-x 산업표준에 정의된 EMC 기준을 충족해야 한다.
IEC 61000 산업표준은 주거, 상업, 경공업 환경에서 사용할 목적으로 제조된 전기전자장치에 적용되는 EMC 내성 조건을 정의하고 있다. IEC 61000은 전기전자장치 설계자가 데이터 통신선에 관해 고려해야 할 세 가지 종류의 고전압 과도신호도 다루고 있다.

ㆍIEC 61000-4-2 ESD
ㆍIEC 61000-4-4 EFT
ㆍIEC 61000-4-5 서지 내성

각각의 표준은 전기전자장치의 내성을 정의된 현상에 대해 테스트하는 방법을 정의하고 있다. 다음에서 각각의 테스트 방법을 요약할 것이다.

정전기(ESD)
ESD는 물체가 가까이 접근하거나 전기장에 의해 유도되어 전위차가 생긴 물체 간에 정전하가 갑작스럽게 이동하는 것을 말한다. ESD는 짧은 시간 동안 높은 전류가 흐른다는 특징이 있다. IEC 61000-4-2에서 정의한 테스트의 주 목적은 시스템이 작동하는 동안 외부에서 발생하는 ESD에 대해 시스템의 내성을 결정하는 것이다. IEC 61000-4-2에서는 접촉 방전(contact discharge)과 에어갭 방전(air-gap discharge)의 두 가지 테스트 방법을 보여준다. 접촉 방전은 방전 건(discharge gun)과 테스트하는 기기를 직접 접촉시키는 방법이다. 반면 에어갭 방전은 에어갭 위로 아크 방전이 일어날 때까지 방전 건의 충전된 전극을 테스트할 기기에 가져가는 방식이며, 이때 방전 건은 테스트할 장치에 직접 접촉시키지 않는다. 습도, 온도, 기압, 거리, 장치에 접근 속도 등 여러 요소가 에어갭 방전 테스트의 결과와 반복성(repeatability)에 영향을 미칠 수 있다. 이 방법은 실제 정전기 발생을 잘 보여줄 수는 있으나 반복성이 떨어지기 때문에 접촉 방전 방식이 더 선호된다.
테스트 과정에서 데이터 포트에는 펄스 간 1초 간격으로 적어도 10번의 단일 음전극 방전(negative discharge)과 양전극 방전(positive discharge)이 일어난다. 테스트 전압은 시스템 최종 환경에 따라 결정한다. 이 테스트의 가장 높은 수준은 레벨 4로, 접촉 방전 전압이 ±8 kV, 에어갭 방전 전압이 ±15 kV로 정의된다.



그림 1은 표준에서 제시한 8 kV 접촉 방전의 전류 파형이다. 일부 주요 파형 파라미터는 1 ns 미만의 상승 시간과 약 60 ns의 펄스폭을 가지며, 총 에너지가 수십 mJ 범위인 펄스와 동일하다.

전기적 급속 과도(EFT)
전기적 급속 과도 테스트에서는 신호선 위로 지나치게 빠르게 지나가는 많은 과도 임펄스를 신호선에 연결해서 용량적으로 통신 포트와 결합된 외부의 스위칭 회로와 관련 있는 과도 장해(transient disturbance)를 표현한다. 여기에는 유도성 및 용량성 부하의 변환으로 발생하는 릴레이 및 스위치 접촉 바운스나 과도현상이 포함될 수 있는데, 이들은 모두 산업 환경에서는 매우 일반적인 것들이다. IEC 61000-4-4에 정의된 EFT 테스트는 이런 이벤트가 발생하여 일으키는 간섭(interference)을 시뮬레이션하는 것이 목적이다.
그림 2는 50 Ω의 EFT 부하 파형을 보여준다. EFT 파형은 50 Ω 출력 임피던스를 갖는 발생기가 생성한 50 Ω 임피던스에서 생긴 전압을 가지고 설명할 수 있다. 출력 파형은 300 ms 간격으로 반복되는 2.5 kHz~5 kHz 사이의 높은 과도전압의 15 ms 급속 과도현상(burst)으로 구성된다. 각각의 펄스는 5 ns의 상승 시간과 50 ns의 펄스 지속 시간을 갖는데, 이는 파형의 상승 에지와 하강 에지의 50%p 사이에서 측정된 값이다. 단일 EFT 펄스의 총 에너지는 보통 4 mJ로 ESD 펄스의 총 에너지와 비슷하다. 전압은 데이터 포트에 최대 2 kV까지 적용될 수 있다.
이러한 급속 과도 신호는 용량성 클램프(capacitive clamp)를 사용하는 통신선에 결합된다. EFT는 직접 접촉보다는 클램프에 의해 통신선에 용량성으로 결합된다. 이는 또한 EFT 발생기의 낮은 출력 임피던스가 야기하는 부하(loading)를 낮춘다. 클램프와 케이블 간에 결합된 용량의 크기는 케이블의 지름, 차폐, 케이블의 절연 처리에 따라 달라진다.



서지 과도 신호
서지 과도 신호(surge transient)는 스위칭 또는 낙뢰 과도현상에서 발생한 과전압에 의해 발생한다. 스위칭 과도현상은 전력 계통 스위칭, 전력 분배 장치의 부하 변동, 합선과 같은 여러 시스템 결함에 의해 야기되기도 한다. 낙뢰 과도현상은 근처에 낙뢰가 떨어져 높은 전류, 전압이 회로에 유입되어 발생할 수 있다. IEC6100-4-5에는 파형, 테스트 방법 및 이러한 파괴력을 지닌 서지에 대한 내성을 평가하는 테스트 단계가 정의되어 있다.
파형은 개방 회로 전압(open circuit voltage)과 단락 전압(short circuit voltage)과 관련해 파형 발생기의 출력으로 정해진다. 두 가지 파형이 나타나는데 10/700 μs 콤비네이션 파형은 전화 교환기 선 같은 대칭 통신선과 연결하기 위한 포트를 테스트하는 데 사용된다. 1.2/50 μs 콤비네이션 파형 발생기는 그 외의 모든 경우에서 사용되며 특히, 단거리 신호 전송에 사용된다. RS-485 포트에는 대부분 1.2/50 μs 파형이 사용되며 이 장에서 다룰 것이다. 파형 발생기는 2 Ω의 효과적인 출력 임피던스를 가지므로 서지 과도 신호는 그와 관련한 높은 전류를 지닌다.
그림 3은 1.2/50 μs 서지 과도 신호 파형을 보여준다. ESD와 EFT는 상승 시간, 펄스 폭, 에너지 준위가 비슷하지만 서지 펄스의 경우 상승 시간은 1.25 μs, 펄스 폭은 50 μs이다. 그뿐 아니라 서지 펄스 에너지는 최대 90 J까지 커질 수 있으므로 ESD나 EFT 펄스의 에너지보다 1,000에서 10,000배 정도 더 크다. 그러므로 서지 과도 신호는 EMC 과도 신호 중 가장 심각한 문제를 야기한다고 여겨진다. ESD와 EFT는 유사점이 많아 회로 보호 방법도 비슷할 수 있지만 서지의 경우 높은 에너지 때문에 반드시 별도로 취급해야 한다. 이는 비용 대비 효과를 유지하면서도 세 종류의 과도 신호 모두에 맞는 데이터 포트 내성을 향상시키는 보호 방법을 개발하는 데 있어서 중요한 문제가 된다.
레지스터는 서지 과도 신호를 통신선에 결합한다. 그림 4는 반이중(half duplex) RS-485 장치용 커플링 네트워크를 보여준다. 저항의 전체 병렬 합은 40 Ω이다. 반이중 장치의 경우 레지스터 각각의 저항이 80 Ω이다.
서지 테스트 동안 각각 다섯 차례의 양성 펄스(positive pulse)와 음성 펄스(negative pulse)가 데이터 포트에 적용되며 각각의 펄스 사이에는 최대 1분의 간격을 둔다. 표준에 따르면 장치는 테스트하는 동안 정상 작동 상태에 있어야 한다.

테스트 합격/불합격 조건
테스트 중인 시스템에 과도현상을 적용할 때, 결과는 네 가지 합격/불합격 조건에 따라 결정된다. 다음의 예에서는 각각의 합격/불합격 조건이 RS-485 송수신기와 어떻게 연관되는지를 보여준다.
ㆍ정상 작동: 과도현상이 적용되는 동안이나 그 후 비트 에러가 발생하지 않음
ㆍ일시 작동 중지 또는 일시 작동 성능 저하(작업자가 필요 없는 경우): 과도현상이 적용되는 동안이나 그 후 비트 에러가 발생할 수 있음
ㆍ일시 작동 중지 또는 일시 작동 성능 저하(작업자가 필요한 경우): 래치 업이 발생할 수 있으나 영구 작동 중지 또는 영구 성능 저하 없이 파워 온 리셋 후 래치 업 현상이 사라질 수 있음
ㆍ장치의 영구적 손상으로 작동 중지: 테스트 불합격

첫 번째 기준에 해당하는 것이 가장 바람직하며 마지막 기준에 해당하면 테스트를 통과할 수 없다. 영구 손상이 생기면 시스템에 다운 시간과 보수 및 교체 비용이 발생한다. 시스템이 절대 다운되어서는 안 되는 미션 크리티컬 시스템의 경우에는 과도현상이 발생하는 동안 시스템이 에러 없이 작동해야 하므로 두 번째, 세 번째 기준에 해당하더라도 테스트를 통과할 수 없다.



과도현상으로부터의 보호
회로 설계 시 과도현상으로부터 보호를 위해, 설계자는 다음의 몇 가지 주요 항목을 고려해야 한다.

1. 회로망은 과도현상에 의해 발생하는 피해를 방지 혹은 제한해야 하며 시스템 성능에 미치는 영향을 최소한으로 줄이면서 시스템을 정상 작동 상태로 되돌려야 한다.
2. 보호 방법은 현장에서 시스템 작동 시 발생할 수 있는 과도현상의 종류 및 전압 크기를 처리할 수 있을 만큼 탄탄해야 한다.
3. 과도현상 지속 시간은 중요한 요소이다. 과도현상이 오래 지속되면 가열 효과가 발생해 보호 방법이 무력해질 수 있다.
4. 정상적인 상황에서 보호 회로망은 시스템 작동을 방해해서는 안 된다.
5. 과부하 발생 시 보호 회로망이 작동하지 않는 경우 시스템은 보호되지 않는다.

그림 5는 1차, 2차 보호가 특징인 대표적인 보호 방법을 보여준다. 1차 보호는 대부분의 과도 에너지를 시스템에서 우회하는 방식으로, 시스템과 환경 사이의 인터페이스에 위치하는 것이 보통이다. 과도 에너지를 접지하는 방식으로 대부분의 에너지를 제거하도록 설계한다.
2차 보호는 1차 보호로 인해 흘러 들어온 과도전압 및 전류로부터 시스템의 각종 부품을 보호한다. 이런 잔류 과도현상에서 시스템을 보호하는 동시에 시스템의 민감한 부품들이 정상 작동하도록 최적화해 설계한다. 1차/2차 보호 방법이 시스템의 I/O와 함께 보호된 회로에 가해지는 과부하를 최소화하도록 하는 것이 중요하다. 이러한 설계에는 보통 1차 및 2차 보호 장치 사이에 저항이나 비선형 과전류 보호 장치 같은 조정 장치를 포함함으로써 그러한 조정이 가능하도록 한다.

RS-485 과도현상 억제 네트워크
본래 EMC 과도현상마다 지속 시간이 다르기 때문에 보호 장치의 동적 특성과 보호 장치의 입출력 상태를 매칭하는 것, 그리고 보호 장치의 동적 성능이 EMC 설계의 성공으로 이어진다. 부품의 데이터 시트는 일반적으로 직류 데이터만을 포함하는데, 이 값은 동적 절연파괴(dynamic breakdown)와 전류/전압 특징이 직렬 값과 상당히 다를 수 있기 때문에 제한적인 값이다. 보호할 장치와 보호 장치의 I/O 상태의 동적 성능을 설계하고 특징을 파악, 이해하는 데 있어 회로는 EMC 표준을 준수해야 한다.
그림 6에 나타낸 회로는 EMC 표준을 따르면서 특징이 잘 드러난 세 가지 솔루션을 보여준다. 각각의 솔루션은 EMC 표준을 준수하는 독립 외부 테스트 기관의 인증을 받았으며 아나로그디바이스 ADM3485E 3.3 V RS-485 송수신기의 여러 비용/보호 수준에 본즈의 외부 회로 보호 장치를 선택해 사용하는 향상된 ESD 보호 수준을 제공한다. 본즈의 외부 회로 보호 장치는 과도전압 억제기(CDSOT
23-SM712)와 과도현상 방지 장치(TBU-CA065-200-WH), 사이리스터 서지 보호기(TISP4240M3BJR-S), 가스 방전 튜브(2038-15-SM-RPLF)를 사용했다.
각 솔루션의 특징은 보호 장치의 동적 전류/전압 성능이 ADM3485E RS-485 버스 핀의 동적 전류/전압 특성을 보호하도록 한 것이며, 그에 따라 ADM3485E의 I/O 단계 사이의 상호 작용과 외부 보호 장치가 함께 과도현상으로부터 시스템을 보호하는 기능을 가진다.



보호 방법 1
앞에서 설명한대로 EFT와 ESD 과도현상은 에너지 준위가 비슷한 반면 서지 파형의 에너지 준위는 그보다 1,000~10,000배 더 크다. ESD 및 EFT 과도현상으로부터 보호하는 방법은 비슷하지만 높은 레벨이나 서지로부터 보호하려면 더 복잡한 솔루션이 필요하다. 여기에서 제시하는 첫 번째 솔루션은 최대 ESD 및 EFT 레벨 4, 그리고 서지 레벨 2로부터의 보호 방법이다. 이 글에 나타난 서지 테스트는 모두 1.2/50 μs 파형을 사용한다.
이 솔루션에는 본즈의 CDSOT23-SM712 TVS 배열을 사용하며, 과부하를 최소화하면서 RS-485 시스템을 보호하는 동시에 RS-485 송수신기에 RS-485 신호의 전체 범위 및 -7 V~+12 V의 공통 모드 과도 출력(excursion)을 허용하는 두 개의 양방향 과도전압 억제기(transient, voltage suppressor, TVS) 다이오드로 구성되어 있다. 표 1에서는 ESD, EFT, 서지 과도현상에 대해 보호되는 전압 크기를 볼 수 있다.
TVS는 반도체 기반의 소자로, 일반적인 작동 상황에서 접지에 대해 높은 임피던스를 가지며 개방 회로로 구성하는 것이 이상적이다. 과도현상으로 인한 과전압을 전압 한계까지 낮추어 시스템을 보호한다. 이는 PN 접합의 낮은 임피던스 애벌란시 항복(avalanche breakdown)으로 가능하다. TVS의 항복전압(breakdown voltage)보다 더 큰 과도전압이 발생하면 TVS는 과도전압을 미리 정해둔, 보호할 장치의 항복전압보다 낮은 수준으로 억제한다. 과도전압을 즉시(1 ns 미만) 억제하고 과도 전류를 보호 장치에서 접지로 우회시킨다.
TVS의 항복전압이 보호하는 핀의 정상 작동 범위보다 크도록 하는 것이 중요하다. CDSOT23-SM712는 송수신기의 -7 V~+12 V의 공통 모드 범위에 대응하기 위해 -7.5 V~+13.3 V의 비대칭적 항복전압을 갖는 독특한 특징을 지니기 때문에 최적의 보호를 제공하는 동시에 RS-485에 걸리는 과전압을 최소화할 수 있다.



보호 방법 2
첫 번째 보호 솔루션은 최대 ESD 및 EFT 레벨 4에 대해 보호하지만 서지의 경우 레벨 2까지에 대해서만 보호한다. 서지 보호 수준을 높이려면 보호 회로망이 더 복잡해진다. 두 번째 보호 방법은 최대 서지 레벨 4까지 보호한다.
CDSOT23-SM712는 RS-485 데이터 포트용으로 특별히 설계되었다. 다음의 두 회로는 더 높은 수준의 회로 보호를 위해 CDSOT23-SM712에 설치한다. TISP4240M3BJR-S가 1차 보호를, CDSOT23-SM712가 2차 보호를 담당한다. 1차와 2차 보호 장치 사이의 조율과 과전류 보호는TBUCA065-200-WH를 사용해 이루어진다. 표 2에서는 이 보호 회로를 사용해 ESD, EFT, 서지 과도현상에 대해 보호되는 전압 크기를 볼 수 있다.
보호 회로에 과도현상이 발생하면 TVS는 항복현상을 일으키며 낮은 임피던스로 접지할 수 있는 경로를 제공해 장치를 보호한다. 전압과 전류가 높으므로 TVS도 내부로 흘러 들어오는 전류를 자체적으로 제한해 스스로를 보호한다. 이는 고속 전류 보호 장치인 과도현상 방지 장치(transient blocking unit, TBU)를 사용하면 가능하다. 이 솔루션에 사용된 TBU는 본즈의 TBU-CA065-200-WH이다.
TBU는 전류를 접지하기보다 차단하는 장치이다. 직렬 장치인 TBU는 인터페이스로 들어오는 전압보다 장치를 통해 들어오는 전류에 반응한다. TBU는 미리 설정된 전류 한도와 높은 내전압 능력(voltage withstand capability)을 갖춘 고속 과전류 보호 장치이다. 과도현상으로 과전류가 발생하고 TVS에 항복현상이 생기면 TBU의 전류는 장치에서 정한 전류 한도 수준까지 상승한다. 이 시점에서 TBU는 1 μs도 안 되는 시간 안에 서지로부터 보호해야 할 회로망을 차단한다. 과도현상의 잔류현상 동안 TBU는 보호 차단 상태를 유지해 아주 낮은 전류(1 mA 미만)를 보호하는 회로망에 흘려보낸다. 정상 작동 조건에서 TBU는 낮은 임피던스를 보이므로 정상 회로 작동에 미치는 영향은 최소가 된다. 차단 모드에서 TBU는 과도전압/전류를 차단하기 위해 높은 임피던스를 가진다. 과도현상이 끝난 후 TBU는 자동적으로 낮은 임피던스 상태로 돌아가 시스템이 다시 정상 작동될 수 있도록 한다.
모든 과전류 보호 기술과 마찬가지로 TBU 역시 최대 항복전압을 가지기 때문에 일차 보호 장치는 전압을 억제해 과도 신호 에너지를 접지하도록 우회시켜야 한다. 이는 보통 가스 방전 튜브나 고체 사이리스터, 예를 들어 통합 서지 보호기(totally integrated surge protector, TISP) 같은 기술을 사용해 가능하다. TISP는 1차 보호 장치처럼 작동한다. 미리 설정해둔 보호 전압을 초과하면 TISP는 크로우바(crowbar) 회로에 낮은 임피던스로 접지하는 경로를 제공해 과도 에너지의 대부분을 시스템 및 다른 보호 대상 장치로부터 우회시킨다.
비선형적 전압/전류 특성 덕에, TISP는 과전압으로 인한 전류를 우회시켜서 과전압을 줄인다. 사이리스터인 TISP는 고전압 영역과 저전압 영역 사이에서 작동을 전환함으로써 생겨나는 비지속적 전압/전류 특성을 지닌다. 그림 8에 TISP의 전압 전류 특성이 나타나 있다. TISP가 과도 에너지를 접지하기 위해 임피던스를 낮게 유지하며 저전압 상태로 변하기 전 애벌란시 항복 영역에 의해 압력이 낮아진다. 과전압을 제어하는 데 있어 보호할 회로는 아주 잠깐 동안 높은 전압에 노출되므로 TISP는 저전압 보호 상태로 바뀌기 전에 항복 상태가 된다. TBU는 고전압으로 야기된 높은 전류에서 다운스트림 회로를 보호한다. 우회된 전류가 임계 값 아래로 떨어지면 TISP는 자동적으로 리셋되어 시스템이 다시 정상 작동하도록 한다.
이미 설명한 것처럼 세 가지 장치 모두 시스템 I/O와 함께 높은 전압/전류 과도현상으로부터 시스템을 보호한다.



보호 방법 3
서지 레벨 4 이상의 보호 수준을 요구하는 경우도 흔히 있다. 보호 방법 3은 RS-485 포트를 최대 6 kV 서지 과도현상으로부터 보호한다. 방법 3은 방법 2와 비슷한 방식으로 작동하지만 이 회로에서는 TBU를 보호하는 데 있어 TISP 대신 가스 방전 튜브(gas discharge tube, GDT)를 사용하고 TBU가 2차 보호 장치인 TVS를 보호한다. GDT는 앞에서 설명했던 TISP보다 더 높은 과전압과 과전류에 대해 보호한다. 방법 3에 사용되는 GDT는 본즈의 2038-15-SM-RPLF이다. TISP는 220 A인데 반해 GDT는 컨덕터 당 5 kA이다. 이 설계에서 제공하는 보호 수준은 표 3에 나타나 있다.
1차 보호 장치로 널리 사용되는 GDT는 낮은 임피던스로 접지하는 경로를 제공해 고전압 과도현상으로부터 보호한다. 과도전압이 GDT의 방전개시전압(spark-over voltage)에 다다르면 GDT는 높은 임피던스의 오프 상태에서 아크 모드로 전환한다. 아크 모드에서 GDT는 가상 단락(virtual short)이 되어 크로우바에 전류 접지 경로를 제공해 보호 장치로부터 과도 전류를 우회시킨다.
그림 9는 GDT의 대표적인 특징을 보여준다. GDT에 흐르는 전압이 증가하면 발생된 전하로 인해 튜브의 가스가 이온화되기 시작한다. 이를 글로우 영역(glow region)이라 한다. 이 영역에서 늘어난 전류량은 GDT를 가상 단락 상태로 변화시키는 애벌란시 효과를 일으켜 전류를 기기에 흘려보낸다. 단락이 생긴 동안 기기에 발생한 전압을 아크 전압이라 한다. 글로우와 아크 영역 간의 변화 시간은 기기의 물리적 특성에 크게 좌우된다.



결론
이 글에서는 과도현상에 대한 내성을 다루는 세 가지 IEC 표준을 살펴봤다. 실제 사용되는 산업용 애플리케이션에서 RS-485 통신 포트에 이러한 과도현상이 일어나면 손상이 생길 수 있다. 제품 설계 과정에서 뒤늦게 EMC 관련 문제가 발견되면 큰 대가를 치르고 재설계를 해야 하는 경우도 있으며 일정에 차질이 생기는 경우도 흔하다. 그러므로 EMC 관련 문제는 설계 과정 초반에 고려해야 하며 후반부에 가서는 너무 늦어서 적절한 EMC 성능을 얻지 못하게 된다.
EMC 표준을 준수하는 RS-485 네트워크용 솔루션을 설계하는 데 있어 가장 큰 어려움은 외부 보호 장치의 동적 성능과 RS-485 장치의 I/O 구조의 동적 성능을 매칭하는 것이다.



이 글에서는 EMC 표준을 준수하는 RS-485 통신 포트용 솔루션을 세 가지 제시해 설계자가 요구되는 보호 수준에 따라 선택할 수 있도록 했다. EVALCN0313-SDPZ는 업계 최초로 EMC 표준을 준수하는 RS-485 고객 설계 툴로서 ESD, EFT, 서지에 대해 최대 레벨 4 수준의 보호를 제공한다. 각각의 보호 방식에 따른 보호 수준은 표 4에 요약해 두었다. 이러한 설계 툴이 있다고 해서 설계자가 충분히 주의를 기울이지 않거나 시스템 수준에 요구되는 조건을 무시할 수 있는 것은 아니지만, 이러한 툴로 인해 설계자는 EMC 관련 문제로 인해 프로젝트 일정에 차질이 생길 위험을 설계 초반에 줄일 수 있으며 그에 따라 설계 시간과 상용화하는 시간을 줄일 수 있다. 보다 자세한 정보는http://www.analog.com/RS485emc에서 확인할 수 있다.  ES