如何保護RS-485通信網(wǎng)絡(luò )不受有害EMC影響

　　這些要求包括三個(gè)主要瞬變抗擾度標準：靜電放電、電快速瞬變和電涌。

　　許多EMC問(wèn)題并不簡(jiǎn)單或明顯，因此必須在產(chǎn)生設計開(kāi)始時(shí)予以考慮。如果把這些問(wèn)題留到設計周期后期去解決，可能導致工程預算和計劃超限。

　　本文介紹各主要瞬變類(lèi)型，并針對RS-485通信端口的三種不同成本/保護級別，提出并演示三種不同的EMC兼容解決方案。

　　ADI公司和Bourns, Inc.攜手合作，共同開(kāi)發(fā)了業(yè)界首個(gè)EMC兼容RS-485接口設計工具，提供針對IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4 EFT和IEC 61000-4-5電涌的四級保護，從而擴展面向系統的解決方案組合。它根據所需保護級別和可用預算為設計人員提供相應的設計選項。借助這些設計工具，設計人員可在設計周期之初考慮EMC問(wèn)題，從而降低該問(wèn)題導致的項目延誤風(fēng)險。

　　RS-485標準

　　工業(yè)與儀器儀表（II）應用常常需要在距離很遠的多個(gè)系統之間傳輸數據。RS-485電氣標準是II應用中使用最廣泛的物理層規范之一，II應用包括：工業(yè)自動(dòng)化、過(guò)程控制、電機控制和運動(dòng)控制、遠程終端、樓宇自動(dòng)化（暖通空調HVAC等）、安保系統和再生能源等。

　　使RS-485成為II通信應用理想之選的一些關(guān)鍵特性如下：

　　●長(cháng)距離鏈路--最長(cháng)4000英尺

　　●可在一對絞線(xiàn)電纜上雙向通信

　　●差分傳輸可提高共模噪聲抗擾度，減少噪聲輻射

　　●可將多個(gè)驅動(dòng)器和接收器連接至同一總線(xiàn)

　　●寬共模范圍（-7 V至+12 V）允許驅動(dòng)器與接收器之間存在地電位差異

　　●TIA/EIA-485-A允許數據速率達到數十Mbps

　　TIA/EIA-485-A描述RS-485接口的物理層，通常與Profibus、Interbus、Modbus或BACnet等更高層協(xié)議配合使用，能夠在相對較長(cháng)的距離內實(shí)現穩定的數據傳輸。

　　但在實(shí)際應用中，雷擊、功率感應、直接接觸、電源波動(dòng)、感應開(kāi)關(guān)和靜電放電可能產(chǎn)生較大瞬變電壓，對RS-485收發(fā)器 造成損害。設計人員必須確保設備不僅能在理想條件下工作，而且能夠在實(shí)際可能遇到的惡劣環(huán)境下正常工作。為了確保這些設計能夠在電氣條件惡劣的環(huán)境下工作，各個(gè)政府機構和監管機構實(shí)施了EMC法規。如果設計符合這些法規，可以讓最終用戶(hù)確信它們在惡劣環(huán)境下也能正常工作。

　　電磁環(huán)境由輻射和傳導兩種能量組成，因此EMC包括兩個(gè)方面：發(fā)射和耐受性。EMC是指電氣系統在目標電磁環(huán)境下保持良好性能且不會(huì )向該環(huán)境引入大量電磁干擾的能力。本文討論如何提高RS-485端口的EMC耐受性以防范三種主要EMC瞬變。

　　國際電工委員會(huì )（IEC）是致力于制定和發(fā)布所有電氣、電子和相關(guān)技術(shù)國際標準的全球領(lǐng)先組織。自1996年以來(lái)，向歐盟出售或在歐盟范圍內出售的所有電子設備都必須達到IEC 61000-4-x規范定義的EMC級別。

　　IEC 61000規范定義了一組EMC抗擾度要求，適用于在住宅、商業(yè)和輕工業(yè)環(huán)境中使用的電氣和電子設備。這組規范包括以下三類(lèi)高電壓瞬變，電子設計人員必須確保數據通信線(xiàn)路不受它們損害：

　　●IEC 61000-4-2 靜電放電（ESD）

　　●IEC 61000-4-4 電快速瞬變（EFT）

　　●IEC 61000-4-5 電涌耐受性

　　所有這些規范都定義了測試方法，用以評估電子和電氣設備對指定現象的耐受性。下面概要說(shuō)明各種測試。

　　靜電放電

　　ESD是指靜電荷在不同電位的實(shí)體之間的突然傳輸，由靠近接觸或電場(chǎng)感應引起。其特征是在短時(shí)間內產(chǎn)生高電流。IEC 61000-4-2測試的主要目的是確定系統在工作過(guò)程中對系統外部ESD事件的抗擾度。IEC 61000-4-2描述了兩種耦合測試方法，即所謂接觸放電和空氣放電。接觸放電要求放電槍與受測單元直接接觸。在空氣放電測試期間，放電槍的充電電極朝向受測單元移動(dòng)，直到氣隙上發(fā)生電弧放電。放電槍不與受測單元直接接觸?？諝夥烹姕y試的結果和可重復性會(huì )受到多種因素的影響，包括濕度、溫度、氣壓、距離和放電槍逼近受測單元的速率。這種方法能夠更好地反映實(shí)際ESD事件，但可重復性較差。因此，接觸放電是首選測試方法。

　　測試期間，數據端口須經(jīng)受至少10次正極放電和10次負極放電，脈沖之間間隔1秒。測試電壓的選擇取決于系統端環(huán)境。規定的最高測試為4級，要求接觸放電電壓為±8 kV,空氣放電電壓為±15 kV.

　　圖1顯示了規范所述的8 kV接觸放電電流波形。一些關(guān)鍵波形參數包括小于1 ns的上升時(shí)間和大約60 ns的脈沖寬度。這說(shuō)明脈沖總能量約為數十mJ.

　　圖1. IEC 61000-4-2 ESD波形（8 kV）

　　電快速瞬變

　　圖2顯示EFT 50 Ω負載波形。EFT波形用具有50 Ω輸出阻抗的發(fā)生器在50 Ω阻抗上產(chǎn)生的電壓來(lái)描述。輸出波形由15 ms的2.5 kHz至5 kHz突發(fā)高壓瞬變脈沖組成，以300 ms間隔重復。每個(gè)脈沖具有5 ns的上升時(shí)間和50 ns的持續時(shí)間，在波形的上升和下降沿的50%點(diǎn)之間測量。單個(gè)EFT脈沖的總能量與ESD脈沖相似。單個(gè)脈沖的總能量典型值為4 mJ.施加于數據端口的電壓可以高達2 kV.

　　圖2. IEC 61000-4-4 EFT 50 Ω負載波形

　　這些快速突發(fā)瞬變通過(guò)電容耦合鉗耦合到通信線(xiàn)路。EFT通過(guò)耦合鉗容性耦合到通信線(xiàn)路，而不是直接接觸。這同樣降低了EFT發(fā)生器的低輸出阻抗所引起的負載。耦合鉗和電纜之間的耦合電容取決于電纜直徑、屏蔽和絕緣。