RS-485通信鏈路與電子圍欄：RS-485 EMC魯棒性展示

工業(yè)和儀器儀表應(yīng)用（I&I）需要在多個系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)，通常是很長的距離。RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)是I&I應(yīng)用中使用最廣泛的物理層總線設(shè)計之一。RS-485的應(yīng)用包括過程控制網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)自動化、遠(yuǎn)程終端和樓宇自動化，如供暖、通風(fēng)、空調(diào)（HVAC）、安全系統(tǒng)、電機(jī)控制和運動控制。

在這些實際系統(tǒng)中，雷擊、電源波動、感應(yīng)開關(guān)和靜電放電會產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電壓，從而損壞通信端口。設(shè)計人員必須確保設(shè)備不僅在理想條件下工作，而且在“現(xiàn)實世界”中工作。

我們的RS-485網(wǎng)絡(luò)解決方案的魯棒性在示例網(wǎng)絡(luò)中得到了證明，該網(wǎng)絡(luò)具有機(jī)械臂控制和使用電子圍欄激勵器直接應(yīng)用于通信線路的真實浪涌脈沖。

示范網(wǎng)絡(luò)

EMC保護(hù)RS-485電路（EVAL-CN0313-SDP設(shè)計工具）在由三個節(jié)點組成的電機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行了演示：機(jī)械臂控制節(jié)點、遠(yuǎn)程控制例程節(jié)點和第三個節(jié)點，用于監(jiān)控來自PC的總線數(shù)據(jù)。機(jī)器人手臂節(jié)點通過ADuC7128微控制器的PWM輸出控制手臂中的伺服電機(jī)，PWM輸出響應(yīng)通過CAN從ezLINX接收的控制消息?通過UART將RS-485數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS-485 EMC板。遠(yuǎn)程控制例程包括一個BF548 EZ-KIT，允許觸摸屏選擇和回放例程，同樣帶有CAN接口和ezLINX板，用于與RS-485之間的轉(zhuǎn)換。PC節(jié)點由一個通過USB與PC軟件接口的系統(tǒng)演示平臺板以及一個與RS-485 EMC板接口的UART接口組成。圖1顯示了帶有電子圍欄激勵器的三節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的框圖。?

圖1.RS-485三節(jié)點網(wǎng)絡(luò)帶電柵欄勁量框圖。

通信總線的A和B線受到來自電圍欄激勵器的8 kV瞬變的直接注入（波形如圖2所示）。該設(shè)備旨在為60公里的圍欄通電（例如，為了將牲畜留在田間）。由于演示在有機(jī)玻璃顯示器中具有裸露的PCB，PCB接地沒有接地機(jī)箱，因此接地電纜屏蔽層連接到PCB接地以提供最直接的接地回路。切口開關(guān)（圖3中照片中心以黃色顯示）提供了一個高壓彈性機(jī)械開關(guān)，用于在演示之間斷開圍欄通電器。這允許勁量器在下一次演示中為滿 8 kV 放電積累足夠的電荷。?

圖2.來自電圍欄通電器的 8 kV 瞬變。

圖3.RS-485三節(jié)點網(wǎng)絡(luò)帶電動圍欄勁量塊演示。

當(dāng)瞬態(tài)耦合時，可以直接觀察到氣體放電管（GDT）的作用，因為它們在每次放電時都會亮起，與柵欄激勵器動作的咔嗒聲相吻合。這些GDT將瞬變的主功率分流到地，但只有在瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）和全集成浪涌保護(hù)器（TISP）器件響應(yīng)更快之后才會這樣做，因此所有三種類型的保護(hù)元件共同作用以保護(hù)ADM3485E RS-485收發(fā)器。

電磁兼容性

為了確保這些設(shè)計能夠在“現(xiàn)實世界”中生存，各種政府機(jī)構(gòu)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)都實施了EMC法規(guī)。遵守這些法規(guī)可為最終用戶提供保證，確保設(shè)計在電氣惡劣的環(huán)境中按預(yù)期運行。

IEC 61000規(guī)范定義了適用于住宅，商業(yè)和輕工業(yè)環(huán)境的電氣和電子設(shè)備的EMC抗擾度要求集。這組規(guī)范包括三種類型的高壓瞬變，設(shè)計人員需要關(guān)注數(shù)據(jù)通信線路：

IEC 61000-4-2 靜電放電 （ESD）

IEC 61000-4-4 電氣快速瞬變 （EFT）

IEC 61000-4-5 浪涌抗擾度

這些規(guī)范中的每一個都定義了一種測試方法，以評估設(shè)備對所定義現(xiàn)象的抗擾度。需要注意的是，ESD和單個EFT脈沖具有相似的波形特性，從而具有相似的能量水平。然而，浪涌脈沖的能量水平比ESD和EFT脈沖高三到四個數(shù)量級，使其成為三者中最具破壞性的。由于ESD和EFT之間的相似性，電路保護(hù)的設(shè)計可以相似;但是，由于其高能量，浪涌必須以不同的方式處理。這是開發(fā)保護(hù)電路的主要問題之一，該電路可提高數(shù)據(jù)端口對所有三種瞬變的抗擾度，同時保持成本效益。

RS-485 瞬態(tài)抑制網(wǎng)絡(luò)

從本質(zhì)上講，EMC瞬態(tài)事件隨時間變化，因此動態(tài)性能以及保護(hù)元件的動態(tài)特性與受保護(hù)器件的輸入/輸出級的匹配導(dǎo)致成功的EMC設(shè)計。元件數(shù)據(jù)手冊通常只包含直流數(shù)據(jù)，鑒于動態(tài)擊穿和I/V特性可能與直流值有很大不同，因此其價值有限。需要仔細(xì)設(shè)計、表征并了解受保護(hù)器件和保護(hù)元件的輸入/輸出級的動態(tài)性能，以確保電路符合EMC標(biāo)準(zhǔn)。

ADI公司（ADI）和Bourns公司合作開發(fā)業(yè)界首款符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的RS-485接口設(shè)計工具，為IEC 4-61000-4 ESD、IEC 2-61000-4 EFT和IEC 4-61000-4浪涌提供高達(dá)5級保護(hù)，從而擴(kuò)展其面向系統(tǒng)的解決方案。該工具為工程師提供了取決于所需保護(hù)級別和可用預(yù)算的設(shè)計選項。這些設(shè)計工具允許工程師通過在設(shè)計周期開始時考慮EMC問題來降低項目延誤的風(fēng)險。

圖4所示電路說明了三種不同的完全表征的EMC兼容解決方案。每個解決方案都經(jīng)過獨立的外部EMC一致性測試機(jī)構(gòu)的認(rèn)證，每種解決方案都為ADI ADM3485E 3.3 V RS-485收發(fā)器提供不同的成本和保護(hù)水平，該收發(fā)器具有增強(qiáng)的ESD保護(hù)功能，采用一系列Bourns外部電路保護(hù)元件。Bourns 使用的外部電路保護(hù)組件包括瞬態(tài)電壓抑制器 （CDSOT23-SM712）、瞬態(tài)阻斷單元 （TBU-CA065-200-WH）、晶閘管浪涌保護(hù)器 （TISP4240M3BJR-S） 和氣體放電管 （2038-15-SM-RPLF）。

圖4.三個符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的ADM3485E電路（原理示意圖，未顯示所有連接）。

每種解決方案都經(jīng)過表征，以確保保護(hù)元件的動態(tài)I/V性能能夠保護(hù)ADM3485E RS-485總線引腳的動態(tài)I/V特性。ADM3485E的輸入/輸出級與外部保護(hù)元件之間的相互作用共同發(fā)揮作用，以防止瞬態(tài)事件。三種不同電路提供的保護(hù)級別如表1所示。

結(jié)論

使用EVAL-CN485-SDPZ提供的解決方案，可以有效地保護(hù)RS-0313接口免受實際高壓瞬變的影響。使機(jī)器人控制網(wǎng)絡(luò)受到來自電子圍欄激勵器的電荷，可以有力地展示電路板的功能。為RS-485網(wǎng)絡(luò)設(shè)計EMC兼容解決方案的主要挑戰(zhàn)是使外部保護(hù)組件的動態(tài)性能與RS-485器件輸入/輸出結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能相匹配。本文介紹了針對RS-485通信端口的三種不同的EMC兼容解決方案，根據(jù)所需的保護(hù)級別為設(shè)計人員提供了選擇。EVAL-CN0313-SDPZ 是業(yè)界首款符合 EMC 標(biāo)準(zhǔn)的 RS-485 客戶設(shè)計工具，可為 ESD、EFT 和浪涌提供高達(dá) 4 級保護(hù)級別。雖然這些設(shè)計工具不能取代系統(tǒng)級所需的盡職調(diào)查或資格認(rèn)證，但它們允許設(shè)計人員在設(shè)計周期開始時降低由于EMC問題而導(dǎo)致項目延誤的風(fēng)險，從而縮短設(shè)計時間和上市時間。

審核編輯：郭婷