【導讀】本文介紹了RS-485接口鏈路需要在惡劣電磁環(huán)境下工作，雷擊、靜電放電和其他電磁現(xiàn)象引起的大瞬變電壓可能損壞通信端口的原因，并詳細分析了RS-485通信網(wǎng)絡EMC保護設計的需求，在此基礎上提出設計解決方案。
在實際工業(yè)和儀器儀表(I&I)應用中，RS-485接口鏈路需要在惡劣電磁環(huán)境下工作。雷擊、靜電放電和其他電磁現(xiàn)象引起的大瞬變電壓可能損壞通信端口。為了確保這些數(shù)據(jù)端口能夠在最終安裝環(huán)境中正常工作，它們必須符合某些電磁兼容性(EMC)法規(guī)。
這些要求包括三個主要瞬變抗擾度標準：靜電放電、電快速瞬變和電涌。
許多EMC問題并不簡單或明顯，因此必須在產(chǎn)生設計開始時予以考慮。如果把這些問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，共同開發(fā)了業(yè)界首個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(tǒng)的解決方案組合。它根據(jù)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問題，從而降低該問題導致的項目延誤風險。
什么是RS-485標準
工業(yè)與儀器儀表(I&I)應用常常需要在距離很遠的多個系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)。RS-485電氣標準是I&I應用中使用最廣泛的物理層規(guī)范之一，I&I應用包括：工業(yè)自動化、過程控制、電機控制和運動控制、遠程終端、樓宇自動化（暖通空調(diào)HVAC等）、安保系統(tǒng)和再生能源等。
使RS-485成為I&I通信應用理想之選的一些關鍵特性如下：
●長距離鏈路——最長4000英尺
●可在一對絞線電纜上雙向通信
●差分傳輸可提高共模噪聲抗擾度，減少噪聲輻射
●可將多個驅(qū)動器和接收器連接至同一總線
●寬共模范圍（–7 V至+12 V）允許驅(qū)動器與接收器之間存在地電位差異
●TIA/EIA-485-A允許數(shù)據(jù)速率達到數(shù)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，能夠在相對較長的距離內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。
但在實際應用中，雷擊、功率感應、直接接觸、電源波動、感應開關和靜電放電可能產(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，各個政府機構和監(jiān)管機構實施了EMC法規(guī)。如果設計符合這些法規(guī)，可以讓最終用戶確信它們在惡劣環(huán)境下也能正常工作。
設計考慮之一：電磁兼容性
電磁環(huán)境由輻射和傳導兩種能量組成，因此EMC包括兩個方面：發(fā)射和耐受性。EMC是指電氣系統(tǒng)在目標電磁環(huán)境下保持良好性能且不會向該環(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(IEC)是致力于制定和發(fā)布所有電氣、電子和相關技術國際標準的全球領先組織。自1996年以來，向歐盟出售或在歐盟范圍內(nèi)出售的所有電子設備都必須達到IEC 61000-4-x規(guī)范定義的EMC級別。
IEC 61000規(guī)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(guī)范包括以下三類高電壓瞬變，電子設計人員必須確保數(shù)據(jù)通信線路不受它們損害：
●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(guī)范都定義了測試方法，用以評估電子和電氣設備對指定現(xiàn)象的耐受性。下面概要說明各種測試。
設計考慮之二：靜電放電
ESD是指靜電荷在不同電位的實體之間的突然傳輸，由靠近接觸或電場感應引起。其特征是在短時間內(nèi)產(chǎn)生高電流。IEC 61000-4-2測試的主要目的是確定系統(tǒng)在工作過程中對系統(tǒng)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，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。空氣放電測試的結果和可重復性會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(shù)據(jù)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(tǒng)端環(huán)境。規(guī)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(guī)范所述的8 kV接觸放電電流波形。一些關鍵波形參數(shù)包括小于1 ns的上升時間和大約60 ns的脈沖寬度。這說明脈沖總能量約為數(shù)十mJ。
圖1：IEC 61000-4-2 ESD波形(8 kV)
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了解電快速瞬變
電快速瞬變測試要求將數(shù)個極端快速的瞬變脈沖耦合到信號線上，以代表容性耦合到通信端口的外部開關電路的瞬態(tài)干擾，這種干擾可能包括繼電器和開關觸點抖動，以及切換感性或容性負載引起的瞬變，所有這些在工業(yè)環(huán)境中非常常見。EC 61000-4-4中定義的EFT測試嘗試模擬因為這些類型的事件產(chǎn)生的干擾。
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。每個脈沖具有5 ns的上升時間和50 ns的持續(xù)時間，在波形的上升和下降沿的50%點之間測量。單個EFT脈沖的總能量與ESD脈沖相似。單個脈沖的總能量典型值為4 mJ。施加于數(shù)據(jù)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)瞬變通過電容耦合鉗耦合到通信線路。EFT通過耦合鉗容性耦合到通信線路，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。
認識電涌瞬變
電涌瞬變由開關或雷電瞬變產(chǎn)生的過壓引起。開關瞬變的原因可以是電源系統(tǒng)切換、電源分配系統(tǒng)的負載變化或短路等各種系統(tǒng)故障。雷電瞬變的原因可以是附近的雷擊將高電流和電壓注入電路中。IEC 61000-4-5定義了用于評估對這些破壞性電涌的抗擾度的波形、測試方法和測試級別。
波形定義為開路電壓和短路電流下波形發(fā)生器的輸出。標準描述了兩種波形。10/700 μs組合波形用于測試要連接到對稱通信線路的端口，例如電話交換線。1.2/50 μs組合波形發(fā)生器用于所有其他情形，特別是短距離信號連接。RS-485端口主要使用1.2/50 μs波形，本部分將予以說明。波形發(fā)生器的有效輸出阻抗為2 Ω，因此電涌瞬變相關的電流非常高。
圖3顯示1.2/50 μs電涌瞬變波形。ESD和EFT具有相似的上升時間、脈沖寬度和能量水平，但電涌脈沖的上升時間為1.25 μs，脈沖寬度為50 μs。此外，電涌脈沖能量可以達到90 J，比ESD或EFT脈沖的能量高出三到四個數(shù)量級。因此，電涌瞬變被認為是最嚴重的EMC瞬變。ESD與EFT相似，因此電路保護的設計可以相似，但電涌則不然，其能量非常高，因此必須以不同方式處理。這是開發(fā)保護措施以改善數(shù)據(jù)端口對所有三種瞬變的抗擾度，同時保持高性價比的過程中會遇到的主要問題之一。
電阻將電涌瞬變耦合到通信線路。圖4顯示半雙工RS-485器件的耦合網(wǎng)絡。并聯(lián)電阻總和為40 Ω。對于半雙工器件，每個電阻為80 Ω。
電涌測試期間，將5個正脈沖和5個負脈沖施加于數(shù)據(jù)端口，各脈沖間隔最長時間為1分鐘。標準要求，器件在測試期間設置為正常工作狀態(tài)。
圖3：IEC 61000-4-5電涌1.2/50 μs波形
圖4：半雙工RS-485器件的耦合/去耦網(wǎng)絡
測試標準：通過/失敗
將瞬變施加于受測系統(tǒng)時，測試結果按照通過/失敗標準分為四類。下面是通過/失敗標準的列表，并舉例說明各標準與RS-485收發(fā)器的關系。
●正常工作；施加瞬變期間或之后不會發(fā)生位錯誤。
●功能暫時喪失或性能暫時降低，不需要操作員干預；施加瞬變期間或之后的有限時間內(nèi)可能發(fā)生位錯誤。
●功能暫時喪失或性能暫時降低，需要操作員干預；可能發(fā)生閂鎖事件，但上電復位后可消除，對器件的功能和性能無永久影響。
●功能喪失，設備永久損壞；器件未通過測試。
標準A是最希望達到的，標準D是不可接受的。永久損壞會導致系統(tǒng)停機和維修/更換成本。對于任務關鍵型系統(tǒng)，標準B和標準C也是不可接受的，因為系統(tǒng)在瞬變事件期間必須能無錯誤運行。
