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    三個(gè)實(shí)用方案讓RS-485接口遠(yuǎn)離EMI風(fēng)險(xiǎn)

    發(fā)布時(shí)間:2019-05-05 責(zé)任編輯:xueqi

    【導(dǎo)讀】RS-485接口往往需要工作在惡劣的電磁環(huán)境下,還要求實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸(可以達(dá)到1200米)、高速(可以達(dá)到幾十Mbps)。那么在設(shè)計(jì)方面需要注意一些什么呢?本文主要介紹RS-485的工作模式,以及RS-485可能面對(duì)的EMI電磁干擾以及對(duì)應(yīng)的解決方案。
     
    詳解RS-485工作原理
     
    以差分傳輸來應(yīng)對(duì)共模干擾
     
    當(dāng)RS-485芯片接受到差分電壓大于200mV時(shí),RO腳輸出低電平,而本身DI可以輸出1.5V的差分電壓。因此有足夠的余量來支持長(zhǎng)距離傳輸以及各種環(huán)境噪聲的干擾。
     
    圖1:RS-485芯片工作原理
     
    為了消除在通信電纜中的信號(hào)反射,一般使用雙絞線來避免干擾。對(duì)于比較長(zhǎng)的連接,一般的做法是在RS-485總線的開始和末端都并接終端電阻,因?yàn)榇蠖鄶?shù)雙絞線電纜特性阻抗大約在120Ω左右。
     
    RS-485的工作模式
     
    以ADI的ADM3061EARZ為例,半工RS-485連接支持多個(gè)接收器和發(fā)射器在同一個(gè)信號(hào)回路上,但是要保證每次只有一個(gè)發(fā)射器工作。這個(gè)可以通過控制RE(收器使能)、DE(發(fā)射器使能引腳)來實(shí)現(xiàn)。半工RS-485可以雙向數(shù)據(jù)傳輸,但是每一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上只能一個(gè)方向傳輸信號(hào)。
     
    圖2:RS-485收發(fā)器的工作模式
     
    了解更多RS485收發(fā)器信息,請(qǐng)點(diǎn)擊Digi-Key RS485收發(fā)器。
     
    RS-485如何連接
     
    為了避免信號(hào)反射,在多個(gè)RS-485連接時(shí),支路長(zhǎng)度(StubLength)越短越好。同時(shí)要避免其他類型的連接,比如星型連接。
     
    注:理論上支路長(zhǎng)度應(yīng)該小于1/4波長(zhǎng)(傳輸頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)),實(shí)際應(yīng)用上越小越好。
     
    圖3:RS-485的正確連接
     
    最大可以接多少個(gè)節(jié)點(diǎn)由RS-485接收器的輸入阻抗來決定,標(biāo)準(zhǔn)RS-485接收器輸入阻抗大于12K歐姆,最多可以驅(qū)動(dòng)32個(gè)負(fù)載。輸入電阻越大,驅(qū)動(dòng)的負(fù)載越多。比如ADM3061EARZ輸入阻抗48K歐姆,最多可以驅(qū)動(dòng)128個(gè)負(fù)載。
     
    圖4:RS-485接收器的輸入阻抗和負(fù)載數(shù)量
     
    RS-485面臨的EMC電磁干擾風(fēng)險(xiǎn)
     
    對(duì)于RS-485的EMC電磁干擾需要考慮下面三種情況的靜電防護(hù):
     
    “靜電”防護(hù)ESD:
     
    干擾成因:靜電引起的干擾
    干擾路徑:手指觸碰
    對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn):IEC 61000-4-2
    典型干擾波形:接觸放電±8 kV ,ESD脈沖4mJ ,ESD波形(接觸放電8kV)
     
    圖5:靜電干擾典型干擾波形
     
    “電快速瞬變脈沖群” 防護(hù)EFT
     
    干擾成因:快速開關(guān)引起的干擾,比如:切斷感性負(fù)載、繼電器觸點(diǎn)彈跳等
    干擾路徑:高頻噪聲通過各種路徑耦合到通信端口
    對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn):IEC 61000-4-4
    典型干擾波形:端口電壓2kV,單個(gè)EFT脈沖能量4mJ ,EFT 50Ω負(fù)載波形2kV
     
    圖6:電快速瞬變脈沖群典型干擾波形
     
    “浪涌”防護(hù)Surge
     
    干擾成因:開關(guān)或雷電瞬變引起的干擾
    干擾路徑:各種路徑耦合到通信端口
    對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn):IEC 61000-4-5
    典型干擾波形:浪涌脈沖能量可以達(dá)到90J,浪涌1.2/50µs波形
     
    圖7:浪涌電壓典型干擾波形
     
    RS485的EMC電磁干擾解決方案
     
    TVS管保護(hù)
     
    如何連接:TVS管連接需要保護(hù)的線路與地,提供過壓保護(hù)。
    如何工作:當(dāng)產(chǎn)生大于TVS的擊穿電壓的瞬態(tài)電壓時(shí),TVS電阻變小,能量從TVS管流到地(<1 ns)。在瞬態(tài)事件后,TVS管自動(dòng)復(fù)位至低阻抗?fàn)顟B(tài),允許系統(tǒng)恢復(fù)正常工作
     
    圖8:TVS保護(hù)電路
     
    TVS管非對(duì)稱擊穿電壓:RS485芯片需要保障在+12V至–7V的收發(fā)器共模范圍。因此對(duì)于TVS管的要求也是非對(duì)稱擊穿電壓。比如CDSOT23-SM712獨(dú)有特性是具有+13.3V和–7.5V的非對(duì)稱擊穿電壓。
     
    如果需要了解更多非對(duì)稱TVS管信息,請(qǐng)點(diǎn)擊Digi-Key 非對(duì)稱TVS管選擇, 可以根據(jù)參數(shù)選型,選擇「12V(最大), 7V(最小)」項(xiàng),查找針對(duì)RS485設(shè)計(jì)的TVS管。
     
    圖9:選擇針對(duì)RS485設(shè)計(jì)的TVS
     
    TVS管對(duì)于EFT和ESD有著比較好保護(hù)。而浪涌的能量平均高出ESD和EFT三到四個(gè)數(shù)量級(jí), 但是TVS管可能不一定能很好的瓦解浪涌的能量,這時(shí)則需要更復(fù)雜的保護(hù)方案。
     
    瞬態(tài)閉鎖單元(TBU)
     
    如何連接:TBU串聯(lián)在需要保護(hù)的線路中,提供過流保護(hù),與TVS管配合使用。
    如何工作:當(dāng)發(fā)生過流,TVS由于瞬態(tài)電壓工作在擊穿狀態(tài),TBU阻值變大,電流將升至預(yù)設(shè)的限流水平。此時(shí),TBU會(huì)在不足1µs時(shí)間內(nèi)將受保護(hù)電路與浪涌斷開,只有極小的電流通過受保護(hù)電路 (<1mA)。在瞬態(tài)事件后,TBU自動(dòng)復(fù)位至低阻抗?fàn)顟B(tài),允許系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。典型的TBU,比如Bourns 的TBU-CA065-200-WH。
     
    圖10:TBU保護(hù)電路
     
    浪涌抑制專用芯片
     
    一個(gè)器件提供的保護(hù)往往有限,所以對(duì)于高要求的應(yīng)用,往往需要多種器件聯(lián)合使用。
     
    你可以訪問Digi-Key浪涌抑制IC,選擇相關(guān)的器件。Digi-Key網(wǎng)站提供豐富的參數(shù)選項(xiàng)供選擇,下圖中「外部開關(guān)」指的是器件外部需要另加開關(guān)(比如MOS管),而該芯片一般是起到控制作用。而「內(nèi)部開關(guān)」指的是保護(hù)電路的開關(guān)在芯片的內(nèi)部。
     
    圖11:浪涌抑制專用芯片選型參數(shù)
     
    本文小結(jié)
     
    盡管已使用多年,RS-485憑借良好的共模噪聲的抗干擾的能力,適于長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸,仍廣泛應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境。
     
    來源:得捷電子  作者:Alan Yang  
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