RS-485通信链路与电子围栏：RS-485 EMC鲁棒性展示
工业和仪器仪表应用（I&I）需要在多个系统之间传输数据，通常是很长的距离。RS-485总线标准是I&I应用中使用最广泛的物理层总线设计之一。RS-485的应用包括过程控制网络、工业自动化、远程终端和楼宇自动化，如供暖、通风、空调（HVAC）、安全系统、电机控制和运动控制。
在这些实际系统中，雷击、电源波动、感应开关和静电放电会产生较大的瞬态电压，从而损坏通信端口。设计人员必须确保设备不仅在理想条件下工作，而且在“现实世界”中工作。
我们的RS-485网络解决方案的鲁棒性在示例网络中得到了证明，该网络具有机械臂控制和使用电子围栏激励器直接应用于通信线路的真实浪涌脉冲。
示范网络
EMC保护RS-485电路（EVAL-CN0313-SDP设计工具）在由三个节点组成的电机控制网络上进行了演示：机械臂控制节点、远程控制例程节点和第三个节点，用于监控来自PC的总线数据。机器人手臂节点通过ADuC7128微控制器的PWM输出控制手臂中的伺服电机，PWM输出响应通过CAN从ezLINX接收的控制消息™通过UART将RS-485数据转换为RS-485 EMC板。远程控制例程包括一个BF548 EZ-KIT，允许触摸屏选择和回放例程，同样带有CAN接口和ezLINX板，用于与RS-485之间的转换。PC节点由一个通过USB与PC软件接口的系统演示平台板以及一个与RS-485 EMC板接口的UART接口组成。图1显示了带有电子围栏激励器的三节点网络的框图。®
图1.RS-485三节点网络带电栅栏劲量框图。
通信总线的A和B线受到来自电围栏激励器的8 kV瞬变的直接注入（波形如图2所示）。该设备旨在为60公里的围栏通电（例如，为了将牲畜留在田间）。由于演示在有机玻璃显示器中具有裸露的PCB，PCB接地没有接地机箱，因此接地电缆屏蔽层连接到PCB接地以提供最直接的接地回路。切口开关（图3中照片中心以黄色显示）提供了一个高压弹性机械开关，用于在演示之间断开围栏通电器。这允许劲量器在下一次演示中为满 8 kV 放电积累足够的电荷。®
图2.来自电围栏通电器的 8 kV 瞬变。
图3.RS-485三节点网络带电动围栏劲量块演示。
当瞬态耦合时，可以直接观察到气体放电管（GDT）的作用，因为它们在每次放电时都会亮起，与栅栏激励器动作的咔嗒声相吻合。这些GDT将瞬变的主功率分流到地，但只有在瞬态电压抑制器（TVS）和全集成浪涌保护器（TISP）器件响应更快之后才会这样做，因此所有三种类型的保护元件共同作用以保护ADM3485E RS-485收发器。
电磁兼容性
为了确保这些设计能够在“现实世界”中生存，各种政府机构和监管机构都实施了EMC法规。遵守这些法规可为最终用户提供保证，确保设计在电气恶劣的环境中按预期运行。
IEC 61000规范定义了适用于住宅，商业和轻工业环境的电气和电子设备的EMC抗扰度要求集。这组规范包括三种类型的高压瞬变，设计人员需要关注数据通信线路：
IEC 61000-4-2 静电放电 （ESD）
IEC 61000-4-4 电气快速瞬变 （EFT）
IEC 61000-4-5 浪涌抗扰度
这些规范中的每一个都定义了一种测试方法，以评估设备对所定义现象的抗扰度。需要注意的是，ESD和单个EFT脉冲具有相似的波形特性，从而具有相似的能量水平。然而，浪涌脉冲的能量水平比ESD和EFT脉冲高三到四个数量级，使其成为三者中最具破坏性的。由于ESD和EFT之间的相似性，电路保护的设计可以相似;但是，由于其高能量，浪涌必须以不同的方式处理。这是开发保护电路的主要问题之一，该电路可提高数据端口对所有三种瞬变的抗扰度，同时保持成本效益。
RS-485 瞬态抑制网络
从本质上讲，EMC瞬态事件随时间变化，因此动态性能以及保护元件的动态特性与受保护器件的输入/输出级的匹配导致成功的EMC设计。元件数据手册通常只包含直流数据，鉴于动态击穿和I/V特性可能与直流值有很大不同，因此其价值有限。需要仔细设计、表征并了解受保护器件和保护元件的输入/输出级的动态性能，以确保电路符合EMC标准。
ADI公司（ADI）和Bourns公司合作开发业界首款符合EMC标准的RS-485接口设计工具，为IEC 4-61000-4 ESD、IEC 2-61000-4 EFT和IEC 4-61000-4浪涌提供高达5级保护，从而扩展其面向系统的解决方案。该工具为工程师提供了取决于所需保护级别和可用预算的设计选项。这些设计工具允许工程师通过在设计周期开始时考虑EMC问题来降低项目延误的风险。
图4所示电路说明了三种不同的完全表征的EMC兼容解决方案。每个解决方案都经过独立的外部EMC一致性测试机构的认证，每种解决方案都为ADI ADM3485E 3.3 V RS-485收发器提供不同的成本和保护水平，该收发器具有增强的ESD保护功能，采用一系列Bourns外部电路保护元件。Bourns 使用的外部电路保护组件包括瞬态电压抑制器 （CDSOT23-SM712）、瞬态阻断单元 （TBU-CA065-200-WH）、晶闸管浪涌保护器 （TISP4240M3BJR-S） 和气体放电管 （2038-15-SM-RPLF）。
图4.三个符合EMC标准的ADM3485E电路（原理示意图，未显示所有连接）。
每种解决方案都经过表征，以确保保护元件的动态I/V性能能够保护ADM3485E RS-485总线引脚的动态I/V特性。ADM3485E的输入/输出级与外部保护元件之间的相互作用共同发挥作用，以防止瞬态事件。三种不同电路提供的保护级别如表1所示。
|
静电放电 （-4-2） |
静电放电 （-4-4） |
浪涌 （-4-5） |
||||
| 保障计划 | 水平 | 电压（接触/空气） | 水平 | 电压 | 水平 | 电压 |
| 1. TVS | 4 | 8 kV/15 kV | 4 | 2 千伏 | 2 | 1 千伏 |
| 2. 电视/TBU/TISP | 4 | 8 kV/15 kV | 4 | 2 千伏 | 4 | 4 千伏 |
| 3. 电视/TBU/GDT | 4 | 8 kV/15 kV | 4 | 2 千伏 | X | 6 千伏 |
结论
使用EVAL-CN485-SDPZ提供的解决方案，可以有效地保护RS-0313接口免受实际高压瞬变的影响。使机器人控制网络受到来自电子围栏激励器的电荷，可以有力地展示电路板的功能。为RS-485网络设计EMC兼容解决方案的主要挑战是使外部保护组件的动态性能与RS-485器件输入/输出结构的动态性能相匹配。本文介绍了针对RS-485通信端口的三种不同的EMC兼容解决方案，根据所需的保护级别为设计人员提供了选择。EVAL-CN0313-SDPZ 是业界首款符合 EMC 标准的 RS-485 客户设计工具，可为 ESD、EFT 和浪涌提供高达 4 级保护级别。虽然这些设计工具不能取代系统级所需的尽职调查或资格认证，但它们允许设计人员在设计周期开始时降低由于EMC问题而导致项目延误的风险，从而缩短设计时间和上市时间。
审核编辑：郭婷
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