【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象引起的大瞬變電壓可能損壞通信端口。為了確保這些數據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之間傳輸數據。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HVAC等）、安保系統和再生能源等。
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）允許驅動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等更高層協議配合使用，能夠在相對較長的距離內實現穩(wěn)定的數據傳輸。
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據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產生高電流。IEC 61000-4-2測試的主要目的是確定系統在工作過程中對系統外部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，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，數據端口須經受至少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(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十mJ。
圖1：IEC 61000-4-2 ESD波形(8 kV)
[page]
了解電快速瞬變
電快速瞬變測試要求將數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生的過壓引起。開關瞬變的原因可以是電源系統切換、電源分配系統的負載變化或短路等各種系統故障。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)保護措施以改善數據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器件的耦合網絡。并聯電阻總和為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個負脈沖施加于數據端口，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/去耦網絡
測試標準：通過/失敗
將瞬變施加于受測系統時，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停機和維修/更換成本。對于任務關鍵型系統，標準B和標準C也是不可接受的，因為系統在瞬變事件期間必須能無錯誤運行。
