让RS-485接口远离EMI风险!这有三个实用方案

winniewei 提交于 周一, 07/15/2019
让RS-485接口远离EMI风险!这有三个实用方案

RS-485凭借良好的共模噪声的抗干扰的能力,适于长距离信号传输,特别是广泛应用于工业环境中。本文介绍了RS-485的工作原理及其面临的EMI风险(静电干扰、电快速瞬变脉冲群、浪涌电压),并且探讨了几种有助于RS-485应对复杂恶劣的电磁环境挑战的EMC解决方案,诸如TVS、TBU、浪涌抑制专用芯片等,并分享了相关选型经验。

作者:Alan

RS-485接口往往需要工作在恶劣的电磁环境下,还要求实现长距离数据传输(可以达到1200米)、高速(可以达到几十Mbps)。那么在设计方面需要注意一些什么呢?本文主要介绍RS-485的工作模式,以及RS-485可能面对的EMC电磁干扰以及对应的解决方案。

详解RS-485工作原理

以差分传输来应对共模干扰

当RS-485芯片接受到差分电压大于200mV时,RO脚输出低电平,而本身DI可以输出1.5V的差分电压。因此有足够的余量来支持长距离传输以及各种环境噪声的干扰。

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图1,RS-485芯片工作原理

为了消除在通信电缆中的信号反射,一般使用双绞线来避免干扰。对于比较长的连接,一般的做法是在RS-485总线的开始和末端都并接终端电阻,因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在120Ω左右。

RS-485的工作模式

ADIADM3061EARZ为例,半工RS-485连接支持多个接收器和发射器在同一个信号回路上,但是要保证每次只有一个发射器工作。这个可以通过控制RE(收器使能)、DE(发射器使能引脚)来实现。半工RS-485可以双向数据传输,但是每一个时间节点上只能一个方向传输信号。

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图2,RS-485收发器的工作模式

了解更多RS485收发器信息,请参考Digi-Key官网上的详细资料。

RS-485如何连接

为了避免信号反射,在多个RS-485连接时,支路长度(Stub Length)越短越好。同时要避免其他类型的连接,比如星型连接。

注:理论上支路长度应该小于1/4波长(传输频率对应的波长),实际应用上越小越好。

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图3,RS-485的正确连接

最大可以接多少个节点由RS-485接收器的输入阻抗来决定,标准RS-485接收器输入阻抗大于12K欧姆,最多可以驱动32个负载。输入电阻越大,驱动的负载越多。比如ADM3061EARZ输入阻抗48K欧姆,最多可以驱动128个负载。

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图4,RS-485接收器的输入阻抗和负载数量

RS-485面临的EMC电磁干扰风险

对于RS-485的EMC电磁干扰需要考虑下面三种情况的静电防护

静电”防护ESD

干扰成因:静电引起的干扰

干扰路径:手指触碰

对应标准:IEC 61000-4-2

典型干扰波形:接触放电±8 kV ESD脉冲4mJ ESD波形(接触放电8kV)

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图5,静电干扰典型干扰波形

电快速瞬变脉冲群” 防护EFT

干扰成因:快速开关引起的干扰,比如:切断感性负载、继电器触点弹跳等

干扰路径:高频噪声通过各种路径耦合到通信端口

对应标准:IEC 61000-4-4

典型干扰波形:端口电压2kV,单个EFT脉冲能量4mJ EFT 50Ω负载波形2kV

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图6,电快速瞬变脉冲群典型干扰波形

“浪涌”防护Surge

干扰成因:开关或雷电瞬变引起的干扰

干扰路径:各种路径耦合到通信端口

对应标准:IEC 61000-4-5

典型干扰波形:涌脉冲能量可以达到90J浪涌1.2/50µs波形

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图7,浪涌电压典型干扰波形

RS485EMC电磁干扰解决方案

TVS管保护

如何连接:TVS管连接需要保护的线路与地,提供过压保护。

如何工作:当产生大于TVS的击穿电压的瞬态电压时,TVS电阻变小,能量从TVS管流到地(<1 ns)。在瞬态事件后,TVS管自动复位至低阻抗状态,允许系统恢复正常工作。

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图8,TVS保护电路

TVS管非对称击穿电压:RS485芯片需要保障在+12 V至–7 V的收发器共模范围。因此对于TVS管的要求也是非对称击穿电压。比如CDSOT23-SM712独有特性是具有+13.3V和–7.5V的非对称击穿电压

如果需要了解更多非对称TVS管信息,请参考Digi-Key官网上非对称TVS管选择的相关资料 可以根据参数选型,选择「12V (最大), 7V (最小)」项,查找针对RS485设计的TVS管。

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图9,选择针对RS485设计的TVS

TVS管对于EFT和ESD有着比较好保护。而浪涌的能量平均高出ESD和EFT三到四个数量级, 但是TVS管可能不一定能很好的瓦解浪涌的能量,这时则需要更复杂的保护方案。

瞬态闭锁单元(TBU)

如何连接:TBU串联在需要保护的线路中,提供过流保护,与TVS管配合使用。

如何工作:当发生过流,TVS由于瞬态电压工作在击穿状态,TBU阻值变大,电流将升至预设的限流水平。此时,TBU会在不足1µs时间内将受保护电路与涌断开,只有极小的电流通过受保护电路 (<1mA) 在瞬态事件后,TBU自动复位至低阻抗状态,允许系统恢复正常工作。典型的TBU,比如Bourns 的TBU-CA065-200-WH 。

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图10,TBU保护电路

浪涌抑制专用芯片

一个器件提供的保护往往有限,所以对于高要求的应用,往往需要多种器件联合使用。

你可以访问Digi-Key官网,参考有关浪涌抑制IC的资料,选择相关的器件。Digi-Key网站提供丰富的参数选项供选择,下图中「外部开关」指的是器件外部需要另加开关(比如MOS管),而该芯片一般是起到控制作用。而「内部开关」指的是保护电路的开关在芯片的内部。

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图11,浪涌抑制专用芯片选型参数

本文小结

尽管已使用多年RS-485凭借良好的共模噪声的抗干扰的能力,适于长距离信号传输,仍广泛应用于工业环境。我们需要根据RS-485面临的复杂的电磁环境,选择合适的EMC解决方案,防范RS-485应用时的EMI风险。

更多有关RS-485设计的技术资料,可到digikey.com.cn搜寻以下文章:

  • 长距有线通信,为什么要用RS-485?
  • 使用 RS-485 和电流环路接口实现可靠的工业连接
  • Options and Solutions for Partitioning Isolated Power in Isolated RS-485 Nodes
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