在實(shí)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。

 

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。

 

 

工業(yè)與儀器儀表(I&I)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I&I應用中使用最廣泛的物理層規范之一，I&I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I&I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。

 

 

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)

 

 

電快速瞬變測試要求將數個(gè)極端快速的瞬變脈沖耦合到信號線(xiàn)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測試嘗試模擬因為這些類(lèi)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(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。

 

 

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(kāi)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(chēng)通信線(xiàn)路的端口，例如電話(huà)交換線(xiàn)。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(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到90 J，比ESD或EFT脈沖的能量高出三到四個(gè)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(kāi)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(shí)保持高性?xún)r(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(xiàn)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。對于半雙工器件，每個(gè)電阻為80 Ω。

 

電涌測試期間，將5個(gè)正脈沖和5個(gè)負脈沖施加于數據端口，各脈沖間隔最長(cháng)時(shí)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(luò )

 

 

將瞬變施加于受測系統時(shí)，測試結果按照通過(guò)/失敗標準分為四類(lèi)。下面是通過(guò)/失敗標準的列表，并舉例說(shuō)明各標準與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)生位錯誤。

●功能暫時(shí)喪失或性能暫時(shí)降低，不需要操作員干預；施加瞬變期間或之后的有限時(shí)間內可能發(fā)生位錯誤。

●功能暫時(shí)喪失或性能暫時(shí)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(wú)永久影響。

●功能喪失，設備永久損壞；器件未通過(guò)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(huì )導致系統停機和維修/更換成本。對于任務(wù)關(guān)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(wú)錯誤運行。