RS-485通信网络的EMC保护（上）：设计需求分析

相关阅读：RS-485通信网络的EMC保护（下）：三个解决方案

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。

这些要求包括三个主要瞬变抗扰度标准：静电放电、电快速瞬变和电涌。

许多EMC问题并不简单或明显，因此必须在产生设计开始时予以考虑。如果把这些问题留到设计周期后期去解决，可能导致工程预算和计划超限。

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。

什么是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。

设计考虑之一：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。

设计考虑之二：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8 kV接触放电电流波形。一些关键波形参数包括小于1 ns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(8 kV)

了解电快速瞬变

电快速瞬变测试要求将数个极端快速的瞬变脉冲耦合到信号线上，以代表容性耦合到通信端口的外部开关电路的瞬态干扰，这种干扰可能包括继电器和开关触点抖动，以及切换感性或容性负载引起的瞬变，所有这些在工业环境中非常常见。EC 61000-4-4中定义的EFT测试尝试模拟因为这些类型的事件产生的干扰。

图2显示EFT 50 Ω负载波形。EFT波形用具有50 Ω输出阻抗的发生器在50 Ω阻抗上产生的电压来描述。输出波形由15 ms的2.5 kHz至5 kHz突发高压瞬变脉冲组成，以300 ms间隔重复。每个脉冲具有5 ns的上升时间和50 ns的持续时间，在波形的上升和下降沿的50%点之间测量。单个EFT脉冲的总能量与ESD脉冲相似。单个脉冲的总能量典型值为4 mJ。施加于数据端口的电压可以高达2 kV。

图2：IEC 61000-4-4 EFT 50 Ω负载波形

这些快速突发瞬变通过电容耦合钳耦合到通信线路。EFT通过耦合钳容性耦合到通信线路，而不是直接接触。这同样降低了EFT发生器的低输出阻抗所引起的负载。耦合钳和电缆之间的耦合电容取决于电缆直径、屏蔽和绝缘。

认识电涌瞬变

电涌瞬变由开关或雷电瞬变产生的过压引起。开关瞬变的原因可以是电源系统切换、电源分配系统的负载变化或短路等各种系统故障。雷电瞬变的原因可以是附近的雷击将高电流和电压注入电路中。IEC 61000-4-5定义了用于评估对这些破坏性电涌的抗扰度的波形、测试方法和测试级别。

波形定义为开路电压和短路电流下波形发生器的输出。标准描述了两种波形。10/700 μs组合波形用于测试要连接到对称通信线路的端口，例如电话交换线。1.2/50 μs组合波形发生器用于所有其他情形，特别是短距离信号连接。RS-485端口主要使用1.2/50 μs波形，本部分将予以说明。波形发生器的有效输出阻抗为2 Ω，因此电涌瞬变相关的电流非常高。

图3显示1.2/50 μs电涌瞬变波形。ESD和EFT具有相似的上升时间、脉冲宽度和能量水平，但电涌脉冲的上升时间为1.25 μs，脉冲宽度为50 μs。此外，电涌脉冲能量可以达到90 J，比ESD或EFT脉冲的能量高出三到四个数量级。因此，电涌瞬变被认为是最严重的EMC瞬变。ESD与EFT相似，因此电路保护的设计可以相似，但电涌则不然，其能量非常高，因此必须以不同方式处理。这是开发保护措施以改善数据端口对所有三种瞬变的抗扰度，同时保持高性价比的过程中会遇到的主要问题之一。

电阻将电涌瞬变耦合到通信线路。图4显示半双工RS-485器件的耦合网络。并联电阻总和为40 Ω。对于半双工器件，每个电阻为80 Ω。

电涌测试期间，将5个正脉冲和5个负脉冲施加于数据端口，各脉冲间隔最长时间为1分钟。标准要求，器件在测试期间设置为正常工作状态。

图3：IEC 61000-4-5电涌1.2/50 μs波形

图4：半双工RS-485器件的耦合/去耦网络

测试标准：通过/失败

将瞬变施加于受测系统时，测试结果按照通过/失败标准分为四类。下面是通过/失败标准的列表，并举例说明各标准与RS-485收发器的关系。

●正常工作；施加瞬变期间或之后不会发生位错误。

●功能暂时丧失或性能暂时降低，不需要操作员干预；施加瞬变期间或之后的有限时间内可能发生位错误。

●功能暂时丧失或性能暂时降低，需要操作员干预；可能发生闩锁事件，但上电复位后可消除，对器件的功能和性能无永久影响。

●功能丧失，设备永久损坏；器件未通过测试。

标准A是最希望达到的，标准D是不可接受的。永久损坏会导致系统停机和维修/更换成本。对于任务关键型系统，标准B和标准C也是不可接受的，因为系统在瞬变事件期间必须能无错误运行。