工業和儀器儀表應用（I&I）需要在多個系統之間傳輸數據，通常是很長的距離。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之一。RS-485的應用包括過程控制網絡、工業自動化、遠程終端和樓宇自動化，如供暖、通風、空調（HVAC）、安全系統、電機控制和運動控制。

在這些實際系統中，雷擊、電源波動、感應開關和靜電放電會產生較大的瞬態電壓，從而損壞通信端口。設計人員必須確保設備不僅在理想條件下工作，而且在“現實世界”中工作。

我們的RS-485網絡解決方案的魯棒性在示例網絡中得到了證明，該網絡具有機械臂控制和使用電子圍欄激勵器直接應用于通信線路的真實浪涌脈沖。

示范網絡

EMC保護RS-485電路（EVAL-CN0313-SDP設計工具）在由三個節點組成的電機控制網絡上進行了演示：機械臂控制節點、遠程控制例程節點和第三個節點，用于監控來自PC的總線數據。機器人手臂節點通過ADuC7128微控制器的PWM輸出控制手臂中的伺服電機，PWM輸出響應通過CAN從ezLINX接收的控制消息?通過UART將RS-485數據轉換為RS-485 EMC板。遠程控制例程包括一個BF548 EZ-KIT，允許觸摸屏選擇和回放例程，同樣帶有CAN接口和ezLINX板，用于與RS-485之間的轉換。PC節點由一個通過USB與PC軟件接口的系統演示平臺板以及一個與RS-485 EMC板接口的UART接口組成。圖1顯示了帶有電子圍欄激勵器的三節點網絡的框圖。?

圖1.RS-485三節點網絡帶電柵欄勁量框圖。

通信總線的A和B線受到來自電圍欄激勵器的8 kV瞬變的直接注入（波形如圖2所示）。該設備旨在為60公里的圍欄通電（例如，為了將牲畜留在田間）。由于演示在有機玻璃顯示器中具有裸露的PCB，PCB接地沒有接地機箱，因此接地電纜屏蔽層連接到PCB接地以提供最直接的接地回路。切口開關（圖3中照片中心以黃色顯示）提供了一個高壓彈性機械開關，用于在演示之間斷開圍欄通電器。這允許勁量器在下一次演示中為滿 8 kV 放電積累足夠的電荷。?

圖2.來自電圍欄通電器的 8 kV 瞬變。

圖3.RS-485三節點網絡帶電動圍欄勁量塊演示。

當瞬態耦合時，可以直接觀察到氣體放電管（GDT）的作用，因為它們在每次放電時都會亮起，與柵欄激勵器動作的咔嗒聲相吻合。這些GDT將瞬變的主功率分流到地，但只有在瞬態電壓抑制器（TVS）和全集成浪涌保護器（TISP）器件響應更快之后才會這樣做，因此所有三種類型的保護元件共同作用以保護ADM3485E RS-485收發器。

電磁兼容性

為了確保這些設計能夠在“現實世界”中生存，各種政府機構和監管機構都實施了EMC法規。遵守這些法規可為最終用戶提供保證，確保設計在電氣惡劣的環境中按預期運行。

IEC 61000規范定義了適用于住宅，商業和輕工業環境的電氣和電子設備的EMC抗擾度要求集。這組規范包括三種類型的高壓瞬變，設計人員需要關注數據通信線路：

IEC 61000-4-2 靜電放電 （ESD）

IEC 61000-4-4 電氣快速瞬變 （EFT）

IEC 61000-4-5 浪涌抗擾度

這些規范中的每一個都定義了一種測試方法，以評估設備對所定義現象的抗擾度。需要注意的是，ESD和單個EFT脈沖具有相似的波形特性，從而具有相似的能量水平。然而，浪涌脈沖的能量水平比ESD和EFT脈沖高三到四個數量級，使其成為三者中最具破壞性的。由于ESD和EFT之間的相似性，電路保護的設計可以相似;但是，由于其高能量，浪涌必須以不同的方式處理。這是開發保護電路的主要問題之一，該電路可提高數據端口對所有三種瞬變的抗擾度，同時保持成本效益。

RS-485 瞬態抑制網絡

從本質上講，EMC瞬態事件隨時間變化，因此動態性能以及保護元件的動態特性與受保護器件的輸入/輸出級的匹配導致成功的EMC設計。元件數據手冊通常只包含直流數據，鑒于動態擊穿和I/V特性可能與直流值有很大不同，因此其價值有限。需要仔細設計、表征并了解受保護器件和保護元件的輸入/輸出級的動態性能，以確保電路符合EMC標準。

ADI公司（ADI）和Bourns公司合作開發業界首款符合EMC標準的RS-485接口設計工具，為IEC 4-61000-4 ESD、IEC 2-61000-4 EFT和IEC 4-61000-4浪涌提供高達5級保護，從而擴展其面向系統的解決方案。該工具為工程師提供了取決于所需保護級別和可用預算的設計選項。這些設計工具允許工程師通過在設計周期開始時考慮EMC問題來降低項目延誤的風險。

圖4所示電路說明了三種不同的完全表征的EMC兼容解決方案。每個解決方案都經過獨立的外部EMC一致性測試機構的認證，每種解決方案都為ADI ADM3485E 3.3 V RS-485收發器提供不同的成本和保護水平，該收發器具有增強的ESD保護功能，采用一系列Bourns外部電路保護元件。Bourns 使用的外部電路保護組件包括瞬態電壓抑制器 （CDSOT23-SM712）、瞬態阻斷單元 （TBU-CA065-200-WH）、晶閘管浪涌保護器 （TISP4240M3BJR-S） 和氣體放電管 （2038-15-SM-RPLF）。

圖4.三個符合EMC標準的ADM3485E電路（原理示意圖，未顯示所有連接）。

每種解決方案都經過表征，以確保保護元件的動態I/V性能能夠保護ADM3485E RS-485總線引腳的動態I/V特性。ADM3485E的輸入/輸出級與外部保護元件之間的相互作用共同發揮作用，以防止瞬態事件。三種不同電路提供的保護級別如表1所示。

結論

使用EVAL-CN485-SDPZ提供的解決方案，可以有效地保護RS-0313接口免受實際高壓瞬變的影響。使機器人控制網絡受到來自電子圍欄激勵器的電荷，可以有力地展示電路板的功能。為RS-485網絡設計EMC兼容解決方案的主要挑戰是使外部保護組件的動態性能與RS-485器件輸入/輸出結構的動態性能相匹配。本文介紹了針對RS-485通信端口的三種不同的EMC兼容解決方案，根據所需的保護級別為設計人員提供了選擇。EVAL-CN0313-SDPZ 是業界首款符合 EMC 標準的 RS-485 客戶設計工具，可為 ESD、EFT 和浪涌提供高達 4 級保護級別。雖然這些設計工具不能取代系統級所需的盡職調查或資格認證，但它們允許設計人員在設計周期開始時降低由于EMC問題而導致項目延誤的風險，從而縮短設計時間和上市時間。

審核編輯：郭婷