【導(dǎo)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(xì)分析了RS-485通信網(wǎng)絡(luò)EMC保護(hù)設(shè)計(jì)的需求，在此基礎(chǔ)上提出設(shè)計(jì)解決方案。
在實(shí)際工業(yè)和儀器儀表(I&I)應(yīng)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(gè)主要瞬變抗擾度標(biāo)準(zhǔn)：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(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)予以考慮。如果把這些問(wèn)題留到設(shè)計(jì)周期后期去解決，可能導(dǎo)致工程預(yù)算和計(jì)劃超限。
本文介紹各主要瞬變類(lèi)型，并針對(duì)RS-485通信端口的三種不同成本/保護(hù)級(jí)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(shè)計(jì)工具，提供針對(duì)IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4 EFT和IEC 61000-4-5電涌的四級(jí)保護(hù)，從而擴(kuò)展面向系統(tǒng)的解決方案組合。它根據(jù)所需保護(hù)級(jí)別和可用預(yù)算為設(shè)計(jì)人員提供相應(yīng)的設(shè)計(jì)選項(xiàng)。借助這些設(shè)計(jì)工具，設(shè)計(jì)人員可在設(shè)計(jì)周期之初考慮EMC問(wèn)題，從而降低該問(wèn)題導(dǎo)致的項(xiàng)目延誤風(fēng)險(xiǎn)。
什么是RS-485標(biāo)準(zhǔn)
工業(yè)與儀器儀表(I&I)應(yīng)用常常需要在距離很遠(yuǎn)的多個(gè)系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)。RS-485電氣標(biāo)準(zhǔn)是I&I應(yīng)用中使用最廣泛的物理層規(guī)范之一，I&I應(yīng)用包括：工業(yè)自動(dòng)化、過(guò)程控制、電機(jī)控制和運(yùn)動(dòng)控制、遠(yuǎn)程終端、樓宇自動(dòng)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(yīng)用理想之選的一些關(guān)鍵特性如下：
●長(zhǎng)距離鏈路——最長(zhǎng)4000英尺
●可在一對(duì)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(gè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dá)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(duì)較長(zhǎng)的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。
但在實(shí)際應(yīng)用中，雷擊、功率感應(yīng)、直接接觸、電源波動(dòng)、感應(yīng)開(kāi)關(guān)和靜電放電可能產(chǎn)生較大瞬變電壓，對(duì)RS-485收發(fā)器造成損害。設(shè)計(jì)人員必須確保設(shè)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(shè)計(jì)能夠在電氣條件惡劣的環(huán)境下工作，各個(gè)政府機(jī)構(gòu)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)實(shí)施了EMC法規(guī)。如果設(shè)計(jì)符合這些法規(guī)，可以讓最終用戶確信它們?cè)趷毫迎h(huán)境下也能正常工作。
設(shè)計(jì)考慮之一：電磁兼容性
電磁環(huán)境由輻射和傳導(dǎo)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(tǒng)在目標(biāo)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(guó)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)出售的所有電子設(shè)備都必須達(dá)到IEC 61000-4-x規(guī)范定義的EMC級(jí)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(shè)備。這組規(guī)范包括以下三類(lèi)高電壓瞬變，電子設(shè)計(jì)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(cè)試方法，用以評(píng)估電子和電氣設(shè)備對(duì)指定現(xiàn)象的耐受性。下面概要說(shuō)明各種測(cè)試。
設(shè)計(jì)考慮之二：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(yīng)引起。其特征是在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高電流。IEC 61000-4-2測(cè)試的主要目的是確定系統(tǒng)在工作過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)外部ESD事件的抗擾度。IEC 61000-4-2描述了兩種耦合測(cè)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(cè)單元直接接觸。在空氣放電測(cè)試期間，放電槍的充電電極朝向受測(cè)單元移動(dòng)，直到氣隙上發(fā)生電弧放電。放電槍不與受測(cè)單元直接接觸。空氣放電測(cè)試的結(jié)果和可重復(fù)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(cè)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(fù)性較差。因此，接觸放電是首選測(cè)試方法。
測(cè)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(fù)極放電，脈沖之間間隔1秒。測(cè)試電壓的選擇取決于系統(tǒng)端環(huán)境。規(guī)定的最高測(cè)試為4級(jí)，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(guān)鍵波形參數(shù)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(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(cè)試要求將數(shù)個(gè)極端快速的瞬變脈沖耦合到信號(hào)線上，以代表容性耦合到通信端口的外部開(kāi)關(guān)電路的瞬態(tài)干擾，這種干擾可能包括繼電器和開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)抖動(dòng)，以及切換感性或容性負(fù)載引起的瞬變，所有這些在工業(yè)環(huán)境中非常常見(jiàn)。EC 61000-4-4中定義的EFT測(cè)試嘗試模擬因?yàn)檫@些類(lèi)型的事件產(chǎn)生的干擾。
圖2顯示EFT 50 Ω負(fù)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(fù)。每個(gè)脈沖具有5 ns的上升時(shí)間和50 ns的持續(xù)時(shí)間，在波形的上升和下降沿的50%點(diǎn)之間測(cè)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(shù)據(jù)端口的電壓可以高達(dá)2 kV。
圖2：IEC 61000-4-4 EFT 50 Ω負(fù)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路。EFT通過(guò)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(fù)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(rèn)識(shí)電涌瞬變
電涌瞬變由開(kāi)關(guān)或雷電瞬變產(chǎn)生的過(guò)壓引起。開(kāi)關(guān)瞬變的原因可以是電源系統(tǒng)切換、電源分配系統(tǒng)的負(fù)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(píng)估對(duì)這些破壞性電涌的抗擾度的波形、測(cè)試方法和測(cè)試級(jí)別。
波形定義為開(kāi)路電壓和短路電流下波形發(fā)生器的輸出。標(biāo)準(zhǔn)描述了兩種波形。10/700 μs組合波形用于測(cè)試要連接到對(duì)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(hào)連接。RS-485端口主要使用1.2/50 μs波形，本部分將予以說(shuō)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(guān)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(shí)間、脈沖寬度和能量水平，但電涌脈沖的上升時(shí)間為1.25 μs，脈沖寬度為50 μs。此外，電涌脈沖能量可以達(dá)到90 J，比ESD或EFT脈沖的能量高出三到四個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，電涌瞬變被認(rèn)為是最嚴(yán)重的EMC瞬變。ESD與EFT相似，因此電路保護(hù)的設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)保護(hù)措施以改善數(shù)據(jù)端口對(duì)所有三種瞬變的抗擾度，同時(shí)保持高性價(jià)比的過(guò)程中會(huì)遇到的主要問(wèn)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(luò)。并聯(lián)電阻總和為40 Ω。對(duì)于半雙工器件，每個(gè)電阻為80 Ω。
電涌測(cè)試期間，將5個(gè)正脈沖和5個(gè)負(fù)脈沖施加于數(shù)據(jù)端口，各脈沖間隔最長(zhǎng)時(shí)間為1分鐘。標(biāo)準(zhǔn)要求，器件在測(cè)試期間設(shè)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(luò)
測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：通過(guò)/失敗
將瞬變施加于受測(cè)系統(tǒng)時(shí)，測(cè)試結(jié)果按照通過(guò)/失敗標(biāo)準(zhǔn)分為四類(lèi)。下面是通過(guò)/失敗標(biāo)準(zhǔn)的列表，并舉例說(shuō)明各標(biāo)準(zhǔn)與RS-485收發(fā)器的關(guān)系。
●正常工作；施加瞬變期間或之后不會(huì)發(fā)生位錯(cuò)誤。
●功能暫時(shí)喪失或性能暫時(shí)降低，不需要操作員干預(yù)；施加瞬變期間或之后的有限時(shí)間內(nèi)可能發(fā)生位錯(cuò)誤。
●功能暫時(shí)喪失或性能暫時(shí)降低，需要操作員干預(yù)；可能發(fā)生閂鎖事件，但上電復(fù)位后可消除，對(duì)器件的功能和性能無(wú)永久影響。
●功能喪失，設(shè)備永久損壞；器件未通過(guò)測(cè)試。
標(biāo)準(zhǔn)A是最希望達(dá)到的，標(biāo)準(zhǔn)D是不可接受的。永久損壞會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)和維修/更換成本。對(duì)于任務(wù)關(guān)鍵型系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)B和標(biāo)準(zhǔn)C也是不可接受的，因?yàn)橄到y(tǒng)在瞬變事件期間必須能無(wú)錯(cuò)誤運(yùn)行。
