詳解保護(hù)RS

　　在實(shí)際工業(yè)和儀器儀表（I&I）應(yīng)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(xiàn)象引起的大瞬變電壓可能損壞通信端口。為了確保這些數(shù)據(jù)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(guī)。

　　這些要求包括三個(gè)主要瞬變抗擾度標(biāo)準(zhǔn)：靜電放電、電快速瞬變和電涌。

　　許多EMC問題并不簡單或明顯，因此必須在產(chǎn)生設(shè)計(jì)開始時(shí)予以考慮。如果把這些問題留到設(shè)計(jì)周期后期去解決，可能導(dǎo)致工程預(yù)算和計(jì)劃超限。

　　本文介紹各主要瞬變類型，并針對(duì)RS-485通信端口的三種不同成本/保護(hù)級(jí)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，共同開發(fā)了業(yè)界首個(gè)EMC兼容RS-485接口設(shè)計(jì)工具，提供針對(duì)IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4 EFT和IEC 61000-4-5電涌的四級(jí)保護(hù)，從而擴(kuò)展面向系統(tǒng)的解決方案組合。它根據(jù)所需保護(hù)級(jí)別和可用預(yù)算為設(shè)計(jì)人員提供相應(yīng)的設(shè)計(jì)選項(xiàng)。借助這些設(shè)計(jì)工具，設(shè)計(jì)人員可在設(shè)計(jì)周期之初考慮EMC問題，從而降低該問題導(dǎo)致的項(xiàng)目延誤風(fēng)險(xiǎn)。

　　RS-485標(biāo)準(zhǔn)

　　工業(yè)與儀器儀表（I&I）應(yīng)用常常需要在距離很遠(yuǎn)的多個(gè)系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)。RS-485電氣標(biāo)準(zhǔn)是I&I應(yīng)用中使用最廣泛的物理層規(guī)范之一，I&I應(yīng)用包括：工業(yè)自動(dòng)化、過程控制、電機(jī)控制和運(yùn)動(dòng)控制、遠(yuǎn)程終端、樓宇自動(dòng)化（暖通空調(diào)HVAC等）、安保系統(tǒng)和再生能源等。

　　使RS-485成為I&I通信應(yīng)用理想之選的一些關(guān)鍵特性如下：

　　●長距離鏈路--最長4000英尺

　　●可在一對(duì)絞線電纜上雙向通信

　　●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(qū)動(dòng)器和接收器連接至同一總線

　　●寬共模范圍（-7 V至+12 V）允許驅(qū)動(dòng)器與接收器之間存在地電位差異

　　●TIA/EIA-485-A允許數(shù)據(jù)速率達(dá)到數(shù)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(duì)較長的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。

　　但在實(shí)際應(yīng)用中，雷擊、功率感應(yīng)、直接接觸、電源波動(dòng)、感應(yīng)開關(guān)和靜電放電可能產(chǎn)生較大瞬變電壓，對(duì)RS-485收發(fā)器 造成損害。設(shè)計(jì)人員必須確保設(shè)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(shè)計(jì)能夠在電氣條件惡劣的環(huán)境下工作，各個(gè)政府機(jī)構(gòu)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)實(shí)施了EMC法規(guī)。如果設(shè)計(jì)符合這些法規(guī)，可以讓最終用戶確信它們?cè)趷毫迎h(huán)境下也能正常工作。

　　電磁兼容性

　　電磁環(huán)境由輻射和傳導(dǎo)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(tǒng)在目標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)的全球領(lǐng)先組織。自1996年以來，向歐盟出售或在歐盟范圍內(nèi)出售的所有電子設(shè)備都必須達(dá)到IEC 61000-4-x規(guī)范定義的EMC級(jí)別。

　　IEC 61000規(guī)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(shè)備。這組規(guī)范包括以下三類高電壓瞬變，電子設(shè)計(jì)人員必須確保數(shù)據(jù)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 電涌耐受性

　　所有這些規(guī)范都定義了測試方法，用以評(píng)估電子和電氣設(shè)備對(duì)指定現(xiàn)象的耐受性。下面概要說明各種測試。

　　靜電放電

　　ESD是指靜電荷在不同電位的實(shí)體之間的突然傳輸，由靠近接觸或電場感應(yīng)引起。其特征是在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高電流。IEC 61000-4-2測試的主要目的是確定系統(tǒng)在工作過程中對(duì)系統(tǒng)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。空氣放電測試的結(jié)果和可重復(fù)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(fù)性較差。因此，接觸放電是首選測試方法。

　　測試期間，數(shù)據(jù)端口須經(jīng)受至少10次正極放電和10次負(fù)極放電，脈沖之間間隔1秒。測試電壓的選擇取決于系統(tǒng)端環(huán)境。規(guī)定的最高測試為4級(jí)，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(guī)范所述的8 kV接觸放電電流波形。一些關(guān)鍵波形參數(shù)包括小于1 ns的上升時(shí)間和大約60 ns的脈沖寬度。這說明脈沖總能量約為數(shù)十mJ.

圖1. IEC 61000-4-2 ESD波形（8 kV）