详解保护RS-485通信网络不受有害EMC影响的方法

在实际工业和仪器仪表(I&I)应用中，RS-485接口链路需要在恶劣电磁环境下工作。雷击、静电放电和其他电磁现象引起的大瞬变电压可能损坏通信端口。为了确保这些数据端口能够在最终安装环境中正常工作，它们必须符合某些电磁兼容性(EMC)法规。

本文介绍各主要瞬变类型，并针对RS-485通信端口的三种不同成本/保护级别，提出并演示三种不同的EMC兼容解决方案。

ADI公司和Bourns, Inc.携手合作，共同开发了业界首个EMC兼容RS-485接口设计工具，提供针对IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4 EFT和IEC 61000-4-5电涌的四级保护，从而扩展面向系统的解决方案组合。它根据所需保护级别和可用预算为设计人员提供相应的设计选项。借助这些设计工具，设计人员可在设计周期之初考虑EMC问题，从而降低该问题导致的项目延误风险。

RS-485标准

工业与仪器仪表(I&I)应用常常需要在距离很远的多个系统之间传输数据。RS-485电气标准是I&I应用中使用最广泛的物理层规范之一，I&I应用包括：工业自动化、过程控制、电机控制和运动控制、远程终端、楼宇自动化(暖通空调HVAC等)、安保系统和再生能源等。

使RS-485成为I&I通信应用理想之选的一些关键特性如下：

●长距离链路--最长4000英尺

●可在一对绞线电缆上双向通信

●差分传输可提高共模噪声抗扰度，减少噪声辐射

●可将多个驱动器和接收器连接至同一总线

●宽共模范围(-7 V至+12 V)允许驱动器与接收器之间存在地电位差异

●TIA/EIA-485-A允许数据速率达到数十Mbps

TIA/EIA-485-A描述RS-485接口的物理层，通常与Profibus、Interbus、Modbus或BACnet等更高层协议配合使用，能够在相对较长的距离内实现稳定的数据传输。

但在实际应用中，雷击、功率感应、直接接触、电源波动、感应开关和静电放电可能产生较大瞬变电压，对RS-485收发器造成损害。设计人员必须确保设备不仅能在理想条件下工作，而且能够在实际可能遇到的恶劣环境下正常工作。为了确保这些设计能够在电气条件恶劣的环境下工作，各个政府机构和监管机构实施了EMC法规。如果设计符合这些法规，可以让最终用户确信它们在恶劣环境下也能正常工作。

电磁兼容性

电磁环境由辐射和传导两种能量组成，因此EMC包括两个方面：发射和耐受性。EMC是指电气系统在目标电磁环境下保持良好性能且不会向该环境引入大量电磁干扰的能力。本文讨论如何提高RS-485端口的EMC耐受性以防范三种主要EMC瞬变。

国际电工委员会(IEC)是致力于制定和发布所有电气、电子和相关技术国际标准的全球领先组织。自1996年以来，向欧盟出售或在欧盟范围内出售的所有电子设备都必须达到IEC 61000-4-x规范定义的EMC级别。

IEC 61000规范定义了一组EMC抗扰度要求，适用于在住宅、商业和轻工业环境中使用的电气和电子设备。这组规范包括以下三类高电压瞬变，电子设计人员必须确保数据通信线路不受它们损害：

●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

所有这些规范都定义了测试方法，用以评估电子和电气设备对指定现象的耐受性。下面概要说明各种测试。

静电放电

ESD是指静电荷在不同电位的实体之间的突然传输，由靠近接触或电场感应引起。其特征是在短时间内产生高电流。IEC 61000-4-2测试的主要目的是确定系统在工作过程中对系统外部ESD事件的抗扰度。IEC 61000-4-2描述了两种耦合测试方法，即所谓接触放电和空气放电。接触放电要求放电枪与受测单元直接接触。在空气放电测试期间，放电枪的充电电极朝向受测单元移动，直到气隙上发生电弧放电。放电枪不与受测单元直接接触。空气放电测试的结果和可重复性会受到多种因素的影响，包括湿度、温度、气压、距离和放电枪逼近受测单元的速率。这种方法能够更好地反映实际ESD事件，但可重复性较差。因此，接触放电是首选测试方法。

测试期间，数据端口须经受至少10次正极放电和10次负极放电，脉冲之间间隔1秒。测试电压的选择取决于系统端环境。规定的最高测试为4级，要求接触放电电压为±8 kV,空气放电电压为±15 kV.

图1显示了规范所述的8kV接触放电电流波形。一些关键波形参数包括小于1ns的上升时间和大约60 ns的脉冲宽度。这说明脉冲总能量约为数十mJ。

图1. IEC 61000-4-2 ESD波形(8kV)

结论

本文说明了处理瞬变抗扰度的三种IEC标准。在实际工业应用中，RS-485通信端口遇到这些瞬变时可能遭到损坏。EMC问题如果是在产品设计周期后期才发现，可能需要重新设计，导致计划延迟，代价巨大。因此，EMC问题应在设计周期开始时就予以考虑，否则可能后悔莫及，无法实现所需的EMC性能。