ADI:维护RS-485通讯网络不受有害EMC事情影响

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内容提要

在实践工业和仪器仪表(I&I)运用中，RS-485接口链路需求在恶劣电磁环境下作业。雷击、静电放电和其他电磁现象引起的大瞬变电压或许损坏通讯端口。为了保证这些数据端口可以在终究装置环境中正常作业，它们有必要契合某些电磁兼容性(EMC)法规。

这些要求包含三个首要瞬变抗扰度规范：静电放电、电快速瞬变和电涌。

许多EMC问题并不简略或显着，因而有必要在发作规划开端时予以考虑。假如把这些问题留到规划周期后期去处理，或许导致工程预算和计划超限。

本文介绍各首要瞬变类型，并针对RS-485通讯端口的三种不同本钱/维护等级，提出并演示三种不同的EMC兼容处理计划。

ADI公司和Bourns, Inc.携手协作，共同开发了业界首个EMC兼容RS-485接口规划东西，供给针对IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4 EFT和IEC 61000-4-5电涌的四级维护，然后扩展面向体系的处理计划组合。它依据所需维护等级和可用预算为规划人员供给相应的规划选项。凭借这些规划东西，规划人员可在规划周期之初考虑EMC问题，然后下降该问题导致的项目延误危险。

RS-485规范

工业与仪器仪表(I&I)运用常常需求在距离很远的多个体系之间传输数据。RS-485电气规范是I&I运用中运用最广泛的物理层规范之一，I&I运用包含：工业主动化、进程操控、电机操控和运动操控、长途终端、楼宇主动化（暖通空调HVAC等）、安保体系和再生能源等。

使RS-485成为I&I通讯运用抱负之选的一些要害特性如下：

• 长距离链路——最长4000英尺
• 可在一对绞线电缆上双向通讯
• 差分传输可进步共模噪声抗扰度，削减噪声辐射
• 可将多个驱动器和接收器衔接至同一总线
• 宽共模规模（–7 V至+12 V）答应驱动器与接收器之间存在地电位差异
• TIA/EIA-485-A答应数据速率到达数十Mbps

TIA/EIA-485-A描绘RS-485接口的物理层，一般与Profibus、Interbus、Modbus或BACnet等更高层协议合作运用，可以在相对较长的距离内完结安稳的数据传输。

但在实践运用中，雷击、功率感应、直触摸摸、电源动摇、感应开关和静电放电或许发作较大瞬变电压，对RS-485收发器形成危害。规划人员有必要保证设备不只能在抱负条件下作业，而且可以在实践或许遇到的恶劣环境下正常作业。为了保证这些规划可以在电气条件恶劣的环境下作业，各个政府安排和监管安排施行了EMC法规。假如规划契合这些法规，可以让终究用户坚信它们在恶劣环境下也能正常作业。

电磁兼容性

电磁环境由辐射和传导两种能量组成，因而EMC包含两个方面：发射和耐受性。EMC是指电气体系在方针电磁环境下坚持杰出功用且不会向该环境引进很多电磁搅扰的才干。本文评论怎么进步RS-485端口的EMC耐受性以防备三种首要EMC瞬变。

世界电工委员会(IEC)是致力于拟定和发布一切电气、电子和相关技能世界规范的全球抢先安排。自1996年以来，向欧盟出售或在欧盟规模内出售的一切电子设备都有必要到达IEC 61000-4-x规范界说的EMC等级。

IEC 61000规范界说了一组EMC抗扰度要求，适用于在住所、商业和轻工业环境中运用的电气和电子设备。这组规范包含以下三类高电压瞬变，电子规划人员有必要保证数据通讯线路不受它们危害：

• IEC 61000-4-2 静电放电(ESD)
• IEC 61000-4-4 电快速瞬变(EFT)
• IEC 61000-4-5 电涌耐受性

一切这些规范都界说了测验办法，用以评价电子和电气设备对指定现象的耐受性。下面概要阐明各种测验。

静电放电

ESD是指静电荷在不同电位的实体之间的忽然传输，由接近触摸或电场感应引起。其特征是在短时刻内发作高电流。IEC 61000-4-2测验的首要意图是确认体系在作业进程中对体系外部ESD事情的抗扰度。IEC 61000-4-2描绘了两种耦合测验办法，即所谓触摸放电和空气放电。触摸放电要求放电枪与受测单元直触摸摸。在空气放电测验期间，放电枪的充电电极朝向受测单元移动，直到气隙上发作电弧放电。放电枪不与受测单元直触摸摸。空气放电测验的成果和可重复性会遭到多种要素的影响，包含湿度、温度、气压、距离和放电枪迫临受测单元的速率。这种办法可以更好地反映实践ESD事情，但可重复性较差。因而，触摸放电是首选测验办法。

测验期间，数据端口须饱尝至少10次正极放电和10次负极放电，脉冲之间距离1秒。测验电压的挑选取决于体系端环境。规则的最高测验为4级，要求触摸放电电压为±8 kV，空气放电电压为±15 kV。

图1显现了规范所述的8 kV触摸放电电流波形。一些要害波形参数包含小于1 ns的上升时刻和大约60 ns的脉冲宽度。这阐明脉冲总能量约为数十mJ。

电快速瞬变

电快速瞬变测验要求将数个极点快速的瞬变脉冲耦合到信号线上，以代表容性耦合到通讯端口的外部开关电路的瞬态搅扰，这种搅扰或许包含继电器和开关触点颤动，以及切换理性或容性负载引起的瞬变，一切这些在工业环境中十分常见。EC 61000-4-4中界说的EFT测验测验模仿因为这些类型的事情发作的搅扰。

图2显现EFT 50 Ω负载波形。EFT波形用具有50 Ω输出阻抗的发作器在50 Ω阻抗上发作的电压来描绘。输出波形由15 ms的2.5 kHz至5 kHz突发高压瞬变脉冲组成，以300 ms距离重复。每个脉冲具有5 ns的上升时刻和50 ns的持续时刻，在波形的上升和下降沿的50%点之间丈量。单个EFT脉冲的总能量与ESD脉冲类似。单个脉冲的总能量典型值为4 mJ。施加于数据端口的电压可以高达2 kV。

这些快速突发瞬变经过电容耦合钳耦合到通讯线路。EFT经过耦合钳容性耦合到通讯线路，而不是直触摸摸。这相同下降了EFT发作器的低输出阻抗所引起的负载。耦合钳和电缆之间的耦合电容取决于电缆直径、屏蔽和绝缘。

电涌瞬变

电涌瞬变由开关或雷电瞬变发作的过压引起。开关瞬变的原因可以是电源体系切换、电源分配体系的负载改变或短路等各种体系故障。雷电瞬变的原因可以是邻近的雷击将高电流和电压注入电路中。IEC 61000-4-5界说了用于评价对这些破坏性电涌的抗扰度的波形、测验办法和测验等级。

波形界说为开路电压和短路电流下波形发作器的输出。规范描绘了两种波形。10/700 μs组合波形用于测验要衔接到对称通讯线路的端口，例如电话交流线。1.2/50 μs组合波形发作器用于一切其他景象，特别是短距离信号衔接。RS-485端口首要运用1.2/50 µs波形，本部分将予以阐明。波形发作器的有用输出阻抗为2 Ω，因而电涌瞬变相关的电流十分高。

图3显现1.2/50 µs电涌瞬变波形。ESD和EFT具有类似的上升时刻、脉冲宽度和能量水平，但电涌脉冲的上升时刻为1.25 µs，脉冲宽度为50 µs。此外，电涌脉冲能量可以到达90 J，比ESD或EFT脉冲的能量高出三到四个数量级。因而，电涌瞬变被认为是最严峻的EMC瞬变。ESD与EFT类似，因而电路维护的规划可以类似，但电涌则不然，其能量十分高，因而有必要以不同办法处理。这是开发维护措施以改进数据端口对一切三种瞬变的抗扰度，一起坚持高性价比的进程中会遇到的首要问题之一。

电阻将电涌瞬变耦合到通讯线路。图4显现半双工RS-485器材的耦合网络。并联电阻总和为40 Ω。关于半双工器材，每个电阻为80 Ω。

电涌测验期间，将5个正脉冲和5个负脉冲施加于数据端口，各脉冲距离最长时刻为1分钟。规范要求，器材在测验期间设置为正常作业状况。

经过/失利规范

将瞬变施加于受测体系时，测验成果依照经过/失利规范分为四类。下面是经过/失利规范的列表，并举例阐明各规范与RS-485收发器的联系。

• 正常作业；施加瞬变期间或之后不会发作位过错。
• 功用暂时损失或功用暂时下降，不需求操作员干涉；施加瞬变期间或之后的有限时刻内或许发作位过错。
• 功用暂时损失或功用暂时下降，需求操作员干涉；或许发作闩锁事情，但上电复位后可消除，对器材的功用和功用无永久影响。
• 功用损失，设备永久损坏；器材未经过测验。

规范A是最期望到达的，规范D是不行承受的。永久损坏会导致体系停机和修理/替换本钱。关于使命要害型体系，规范B和规范C也是不行承受的，因为体系在瞬变事情期间有必要能无过错运转。

瞬变维护

规划瞬变维护电路时，规划人员有必要考虑以下首要事项：

• 该电路有必要避免或约束瞬变引起的损坏，并答应体系康复正常作业，功用影响极小。
• 维护计划应当十分牢靠，足以处理体系在实践运用经遭到的瞬变类型和电压水平。
• 瞬变时长是一个重要要素。关于长时刻瞬变，热效应或许会导致某些维护计划失效。
• 正常条件下，维护电路不得搅扰体系运转。
• 假如维护电路因为过应力而失效，它应以维护体系的办法失效。/li>

图5显现一个典型维护计划，其特征是具有两重维护：主维护和次级维护。主维护可将大部分瞬变能量从体系搬运开，一般坐落体系和环境之间的接口。它旨在将瞬变分流至地，然后消除大部分能量。

次级维护的意图是维护体系各个部件，使其免受主维护答应经过的任何瞬态电压和电流的损坏。它经过优化，保证可以抵挡剩下瞬变影响，一起答应体系的灵敏部分正常作业。主维护和次级维护的规划有必要与体系I/O协同作业，然后最大程度地下降对受维护电路的压力，这点很重要。主维护器材与次级维护器材之间一般有一个和谐元件，如电阻或非线性过流维护器材等，用以保证二者协同应对瞬变。

RS-485瞬变按捺网络

就特性而言，EMC瞬态事情在时刻上会有改变，因而维护元件有必要具有动态功用，而且其动态特性需求与受维护器材的输入/输出极相匹配，这样才干完结成功的EMC规划。器材数据手册一般只包含直流数据，因为动态击穿和I/V特性或许与直流值存在很大差异，因而这些数据没有太多价值。有必要进行精心规划并确认特性，了解受维护器材的输入/输出级的动态功用，而且运用维护元件，才干保证电路到达EMC规范。

图6所示电路显现了三种不同的完好的EMC兼容处理计划。每个处理计划都经过独立外部EMC兼容性测验公司的认证，各计划运用精选的Bourns外部电路维护元件，针对ADI公司具有增强ESD维护功用的ADM3485E 3.3 V RS-485收发器供给不同的本钱/维护等级。所用的Bourns外部电路维护元件包含瞬态电压按捺器(CDSOT23-SM712)、瞬态闭锁单元(TBU-CA065-200-WH)、晶闸管电涌维护器(TISP4240M3BJR-S)和气体放电管(2038-15-SM-RPLF).

每种处理计划都经过特性测验，保证维护元件的动态I/V功用可以维护ADM3485E RS-485总线引脚的动态I/V特性，使得ADM3485E输入/输出级与外部维护元件协同防备瞬变事情。

维护计划1

前面说过，EFT和ESD瞬变具有类似的能量水平，而电涌波形的能量水平则高出三到四个数量级。针对ESD和EFT的维护可经过类似办法完结，但针对高电涌等级的维护处理计划则更为杂乱。第一个处理计划供给四级ESD和EFT维护及二级电涌维护。本文描绘的一切电涌测验都运用1.2/50 μs波形。

此处理计划运用Bourns公司的CDSOT23-SM712瞬变电压按捺器(TVS)阵列，它包含两个双向TVS二极管，十分合适维护RS-485体系，过应力极小，一起支撑RS-485收发器上的全规模RS-485信号和共模偏移（–7 V至+12 V）。表1显现针对ESD、EFT和电涌瞬变的电压维护等级。

表1. 处理计划1维护等级

TVS是根据硅的器材。在正常作业条件下，TVS具有很高的对地阻抗；抱负情况下它是开路。维护办法是将瞬态导致的过压箝位到电压限值。这是经过PN结的低阻抗雪崩击穿完结的。当发作大于TVS的击穿电压的瞬态电压时，TVS会将瞬态箝位到小于维护器材的击穿电压的预订水平。瞬变当即遭到箝位（< 1 ns），瞬态电流从受维护器材搬运至地。

重要的是要保证TVS的击穿电压在受维护引脚的正常作业规模之外。CDSOT23-SM712的独有特性是具有+13.3 V和–7.5 V的非对称击穿电压，与+12 V至–7 V的收发器共模规模相匹配，然后供给最佳维护，一起最大程度减小对ADM3485E RS-485收发器的过压应力。

维护计划2

上一处理计划可供给最高四级ESD和EFT维护，但只能供给二级电涌维护。为了进步电涌维护等级，维护电路变得愈加杂乱。以下维护计划可以供给最高四级电涌维护。

CDSOT23-SM712专门针对RS-485数据端口规划。以下两个电路根据CDSOT23-SM712构建，供给更高等级的电路维护。CDSOT23-SM712供给次级维护，而TISP4240M3BJR-S供给主维护。主从维护器材与过流维护之间的和谐经过TBU-CA065-200-WH完结。表2显现运用此维护电路的ESD、EFT和电涌瞬变维护电压等级。

表2. 处理计划2维护等级

当瞬变能量施加于维护电路时，TVS将会击穿，经过供给低阻抗的接地途径来维护器材。因为电压和电流较高，还有必要经过约束经过的电流来维护TVS。这可选用瞬态闭锁单元(TBU)完结，它是一个主动高速过流维护元件。此处理计划中的TBU是Bourns TBU-CA065-200-WH。

TBU可阻挠电流，而不是将其分流至地。作为串联元件，它会对经过器材的电流做出反响，而不是对接口两头的电压做出反响。TBU是一个高速过流维护元件，具有预设电流限值和耐高压才干。当发作过流，TVS因为瞬态事情击穿时，TBU中的电流将升至器材设置的限流水平。此刻，TBU会在缺乏1 µs时刻内将受维护电路与电涌断开。在瞬变的剩下时刻内，TBU坚持在受维护隔绝状况，只要极小的电流(<1 mA)经过受维护电路。在正常作业条件下，TBU具有低阻抗，因而它对正常电路作业的影响很小。在隔绝形式下，它具有很高的阻抗以隔绝瞬变能量。在瞬态事情后，TBU主动复位至低阻抗状况，答应体系康复正常作业。

与一切过流维护技能相同，TBU具有最大击穿电压，因而主维护器材有必要箝位电压，并将瞬变能量从头引导至地。这一般运用气体放电管或固态晶闸管等技能完结，例如彻底集成电涌维护器(TISP)。TISP充任主维护器材。当超越其预界说维护电压时，它供给瞬态开路低阻抗接地途径，然后将大部分瞬变能量从体系和其他维护器材搬运开。

TISP的非线性电压-电流特性经过搬运发作的电流来约束过压。作为晶闸管，TISP具有非接连电压-电流特性，它是因为高电压区和低电压区之间的切换动作而导致的。图8显现了器材的电压-电流特性。在TISP器材切换到低电压状况之前，它具有低阻抗接地途径以分流瞬变能量，雪崩击穿区域则导致了箝位动作。在约束过压的进程中，受维护电路时刻短暴露在高压下，因而在切换到低压维护导通状况之前，TISP器材处在击穿区域。TBU将维护下流电路，避免因为这种高电压导致的高电流形成损坏。当搬运电流下降到临界值以下时，TISP器材主动复位，以便康复正常体系运转。

如上所述，一切三个器材与体系I/O协同作业来维护体系免受高电压和电流瞬变影响。

维护计划3

常常需求四级以上的电涌维护。此维护计划可维护RS-485端口免受最高6 kV电涌瞬变的影响。它的作业办法类似于维护处理计划2，但此电路选用气体放电管(GDT)替代TISP来维护TBU，然后维护次级维护器材TVS。GDT将针对高于前一种维护机制中所述TISP的过压和过流应力供给维护。此维护计划的GDT是Bourns公司的2038-15-SM-RPLF。TISP额定电流为220 A，而GDT每个导体的额定电流为5 kA。表3显现此规划供给的维护等级。

表3. 处理计划3维护等级

GDT首要用作主维护器材，供给低阻抗接地途径以避免过压瞬变。当瞬态电压到达GDT火花放电电压时，GDT将从高阻抗封闭状况切换到电弧形式。在电弧形式下，GDT成为虚拟短路，供给瞬态开路电流接地途径，将瞬态电流从受维护器材上搬运开。

图9显现GDT的典型特性。当GDT两头的电压增大时，放电管中的气体因为发作的电荷开端电离。这称为辉光区。在此区域中，添加的电流将发作雪崩效应，将GDT转化为虚拟短路，答应电流经过器材。在短路事情中，器材两头发作的电压称为弧电压。辉光区和电弧区之间的转化时刻首要取决于器材的物理特性。

定论

本文阐明晰处理瞬变抗扰度的三种IEC规范。在实践工业运用中，RS-485通讯端口遇到这些瞬变时或许遭到损坏。EMC问题假如是在产品规划周期后期才发现，或许需求从头规划，导致计划推迟，价值巨大。因而，EMC问题应在规划周期开端时就予以考虑，不然或许后悔莫及，无法完结所需的EMC功用。

在规划面向RS-485网络的EMC兼容处理计划时，首要难题是让外部维护元件的动态功用与RS-485器材输入/输出结构的动态功用相匹配。

本文介绍了适用于RS-485通讯端口的三种不同EMC兼容处理计划，规划人员可依照所需的维护等级挑选维护计划。eval-CN0313-SDPZ是业界首个EMC兼容RS-485客户规划东西，针对ESD、EFT和电涌供给最高四级维护。表4总结了不同维护计划供给的维护等级。尽管这些规划东西不能替代所需的体系级严厉评价和专业资质，但可以让规划人员在规划周期前期下降因为EMC问题导致的项目延误危险，然后缩短产品规划时刻和上市时刻。欲了解更多信息，请拜访 www.analog.com/zh/RS485emc.

表4. 三种ADM3485E EMC兼容处理计划

参阅电路

ADM3485E Data Sheet.

Analog Devices Interface and Isolation. http://www.analog.com/en/interface-isolation/products/index.html.

Bourns Telecom Protection Guide.

CDSOT23-SM712. www.bourns.com/pdfs/CDSOT23-SM712.pdf.

Electromagnetic Compatibility (EMC) Part 4-2: Testing and Measurement Techniques—Electrostatic Discharge Immunity Test (IEC 61000-4-2:2008 (Ed. 2.0)).

Electromagnetic Compatibility (EMC) Part 4-4: Testing and Measurement Techniques—Electrical Fast Transient/Burst Immunity Test (IEC 61000-4-4:2012 (Ed. 3.0)).

Electromagnetic Compatibility (EMC) Part 4-5: Testing and Measurement Techniques—Surge Immunity Test (IEC 61000-4-5:2005 (Ed. 2.0)).

eval-CN0313-SDPZ. www.analog.com/RS485emc.

Bourns GDT First Principles.

Marais, Hein. Application Note AN-960. RS-485/RS-422 Circuit Implementation Guide, April, 2008.

TBU-CA065-200-WH. www.bourns.com/data/global/pdfs/TBU-CA.pdf.

TISP4240M3BJR-S. www.bourns.com/data/global/pdfs/TISP4xxxM3BJ.pdf.

2038-15-SM-RPLF. www.bourns.com/data/global/pdfs/2038-xx-SM.pdf.