作者：James Scanlon和Conal Watterson，ADI公司

簡介

在工業與儀器儀表應用(I I)中，常常需要在距離很遠的多個系統之間傳輸數據。RS-485總線標準是I I應用中使用最廣泛的物理層總線設計標準之一。RS-485的應用包括：過程控制網絡、工業自動化、遠程終端、樓宇自動化(例如，暖通空調(HVAC)、保安系統)、電機控制和運動控制。在這些實際的系統中，雷擊、電源波動、感應開關和靜電放電會通過產生較大瞬變電壓對通信端口造成損害。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境下正常工作。

我們的示例帶有機械臂控制，并使用電子護欄增能器直接將真實浪涌脈沖施加在通信線路上，以此演示RS-485網絡解決方案的穩定性。

演示網絡

在電機控制網絡上演示RS-485 EMC保護電路和EVAL-CN0313-SDP設計工具，該網絡由3個節點組成：一個機械臂控制節點、一個遠程控制例程節點，以及一個監控來自PC總線數據的節點。機械臂節點通過ADuC7128微控制器的PWM輸出信號控制機械臂中的伺服電機，微控制器通過ezLINX?板上的CAN接收控制信息并作出響應，通過RS-485 EMC板上的UART轉換至/自RS-485數據。遠程控制例程包括一個BF548 EZ-KIT?，允許選擇觸摸屏和回放例程，并再次通過CAN接口和ezLINX板轉換至/自RS-485。PC節點包含系統演示平臺板，通過USB與PC軟件對接；還包含UART，可與RS-485 EMC板對接。圖1顯示了帶有電子護欄能源機的三節點網絡功能框圖。

圖1. 帶電子護欄能源機的RS-485三節點網絡功能框圖

來自電子護欄能源機的8 kV瞬態電壓會直接注入通信總線的A和B線路(波形如圖2所示)。該設備設計為可電氣化60 km護欄(如將牲畜圍在某一區域內)。由于本演示是將PCB裸板安裝在Perspex?顯示屏上，不提供用于PCB接地的接地底座，因此將接地電纜屏蔽層連接至PCB接地，提供最直接的接地回路。切斷開關(圖3照片中心位置的黃色部分)提供耐高壓的機械開關，用于兩次演示之間斷開護欄能源機。這樣，能源機就可以累積足夠的電荷用于下一次演示的全8 kV放電。

圖2. 來自電子護欄能源機的8 kV瞬態電壓

耦合瞬態電壓后，可以直接觀察到氣體放電管(GDT)的動作，因為每次放電都會點亮氣體放電(GDT)，與護欄能源機產生的聽得見的咔嚓聲同步。這些GDT將瞬態產生的主要能量分流至地，但僅在瞬態電壓抑制器(TVS)以及全集成式浪涌保護器(TISP)作出更快速的響應之后才會執行該操作，從而使全部三種類型的保護器件共同作用，保護ADM3485E RS-485收發器。

圖3. 帶電子護欄能源機的RS-485三節點網絡框圖演示

電磁兼容性

為了確保這些設計能夠在“真實世界”的環境下工作，各個政府機構和監管機構實施了EMC法規。如果設計符合這些法規，可以讓最終用戶確信它們在惡劣的電氣環境下也能正常工作。

IEC 61000規范定義了一組EMC抗擾度要求，適用于在住宅、商業和輕工業環境中使用的電氣和電子設備。這組規范包括以下三種類型的高電壓瞬變，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

所有這些規范都定義了測試方法，用以評估設備對指定現象的耐受性。值得注意的是，ESD和單個EFT脈沖具有類似的波形特征，因而具有相似的能級。但是，電涌脈沖的能級比ESD和EFT脈沖高三至四個數量級，因而它是三者中破壞性最強的一個。由于ESD和EFT之間的相似性，相應的電路保護設計也很相似，但是由于電涌的能量大，因此必須采取不同的處理方式。在開發保護電路時，如果既要保持成本效益，又要提高數據端口針對這三種瞬變的抗擾度，這就是主要問題之一。

RS-485瞬變抑制網絡

就特性而言，EMC瞬態事件在時間上會有變化，因此保護元件必須具有動態性能，而且其動態特性需要與受保護器件的輸入/輸出極相匹配，這樣才能實現成功的EMC設計。器件數據手冊一般只包含直流數據，由于動態擊穿和I/V特性可能與直流值存在很大差異，因此這些數據沒有太多價值。必須進行精心設計并確定特性，了解受保護器件的輸入/輸出級的動態性能，并且使用保護元件，才能確保電路達到EMC標準。

ADI公司和Bourns，Inc.攜手合作，共同開發了業界首個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。這款工具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，工程師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。

圖4. 三個EMC兼容ADM3485E電路(原理示意圖，未顯示所有連接)

圖4所示電路顯示了三種不同的完整特性EMC兼容解決方案。每個解決方案都經過獨立外部EMC兼容性測試公司的認證，各方案使用精選的Bourns外部電路保護元件，針對ADI公司具有增強ESD保護性能的ADM3485E 3.3 V RS-485收發器提供不同的成本/保護級別。所用的Bourns外部電路保護元件包括瞬變電壓抑制器(CDSOT23-SM712)、瞬變閉鎖單元 (TBU-CA065-200-WH)、晶閘管電涌保護器(TISP4240M3BJR-S)和氣體放電管(2038-15-SM-RPLF)。

每個解決方案都經過特性測試，確保保護元件的動態I/V性能可以保護ADM3485E RS-485總線引腳的動態I/V特性。ADM3485E的輸入/輸出級之間的交互，配合外部保護元件，共同防止受到瞬態事件的損害。三個不同電路提供的保護級別如表1所示。

結論

使用EVAL-CN0313-SDPZ提供的解決方案，能夠有效保護RS-485接口免受真實世界的高壓瞬態影響。將機器人控制網絡暴露在電子護欄能源機的電荷下可提供穩定的電路板演示性能。在設計面向RS-485網絡的EMC兼容解決方案時，主要難題是讓外部保護元件的動態性能與RS-485器件輸入/輸出結構的動態性能相匹配。本文介紹了適用于RS-485通信端口的三種不同EMC兼容解決方案，設計人員可按照所需的保護級別選擇保護方案。EVAL-CN0313-SDPZ是業界首個EMC兼容RS-485客戶設計工具，針對ESD、EFT和電涌提供最高四級保護(包括四級)。雖然這些設計工具不能取代所需的系統級嚴格評估和專業資質，但能夠讓設計人員在設計周期早期降低由于EMC問題導致的項目延誤風險，從而縮短產品設計時間和上市時間。有關詳情，請訪問： www.analog.com/RS485emc

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