RS-485通信鏈路與電子護(hù)欄： 有關(guān)RS-485 EMC穩(wěn)定性的演示

作者：James Scanlon和Conal Watterson，ADI公司

簡(jiǎn)介

在工業(yè)與儀器儀表應(yīng)用(I I)中，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總線標(biāo)準(zhǔn)是I I應(yīng)用中使用最廣泛的物理層總線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之一。RS-485的應(yīng)用包括：過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)自動(dòng)化、遠(yuǎn)程終端、樓宇自動(dòng)化(例如，暖通空調(diào)(HVAC)、保安系統(tǒng))、電機(jī)控制和運(yùn)動(dòng)控制。在這些實(shí)際的系統(tǒng)中，雷擊、電源波動(dòng)、感應(yīng)開(kāi)關(guān)和靜電放電會(huì)通過(guò)產(chǎn)生較大瞬變電壓對(duì)通信端口造成損害。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。

我們的示例帶有機(jī)械臂控制，并使用電子護(hù)欄增能器直接將真實(shí)浪涌脈沖施加在通信線路上，以此演示RS-485網(wǎng)絡(luò)解決方案的穩(wěn)定性。

演示網(wǎng)絡(luò)

在電機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)上演示RS-485 EMC保護(hù)電路和EVAL-CN0313-SDP設(shè)計(jì)工具，該網(wǎng)絡(luò)由3個(gè)節(jié)點(diǎn)組成：一個(gè)機(jī)械臂控制節(jié)點(diǎn)、一個(gè)遠(yuǎn)程控制例程節(jié)點(diǎn)，以及一個(gè)監(jiān)控來(lái)自PC總線數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)。機(jī)械臂節(jié)點(diǎn)通過(guò)ADuC7128微控制器的PWM輸出信號(hào)控制機(jī)械臂中的伺服電機(jī)，微控制器通過(guò)ezLINX?板上的CAN接收控制信息并作出響應(yīng)，通過(guò)RS-485 EMC板上的UART轉(zhuǎn)換至/自RS-485數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程控制例程包括一個(gè)BF548 EZ-KIT?，允許選擇觸摸屏和回放例程，并再次通過(guò)CAN接口和ezLINX板轉(zhuǎn)換至/自RS-485。PC節(jié)點(diǎn)包含系統(tǒng)演示平臺(tái)板，通過(guò)USB與PC軟件對(duì)接；還包含UART，可與RS-485 EMC板對(duì)接。圖1顯示了帶有電子護(hù)欄能源機(jī)的三節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)功能框圖。

來(lái)自電子護(hù)欄能源機(jī)的8 kV瞬態(tài)電壓會(huì)直接注入通信總線的A和B線路(波形如圖2所示)。該設(shè)備設(shè)計(jì)為可電氣化60 km護(hù)欄(如將牲畜圍在某一區(qū)域內(nèi))。由于本演示是將PCB裸板安裝在Perspex?顯示屏上，不提供用于PCB接地的接地底座，因此將接地電纜屏蔽層連接至PCB接地，提供最直接的接地回路。切斷開(kāi)關(guān)(圖3照片中心位置的黃色部分)提供耐高壓的機(jī)械開(kāi)關(guān)，用于兩次演示之間斷開(kāi)護(hù)欄能源機(jī)。這樣，能源機(jī)就可以累積足夠的電荷用于下一次演示的全8 kV放電。

耦合瞬態(tài)電壓后，可以直接觀察到氣體放電管(GDT)的動(dòng)作，因?yàn)槊看畏烹姸紩?huì)點(diǎn)亮氣體放電(GDT)，與護(hù)欄能源機(jī)產(chǎn)生的聽(tīng)得見(jiàn)的咔嚓聲同步。這些GDT將瞬態(tài)產(chǎn)生的主要能量分流至地，但僅在瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)以及全集成式浪涌保護(hù)器(TISP)作出更快速的響應(yīng)之后才會(huì)執(zhí)行該操作，從而使全部三種類(lèi)型的保護(hù)器件共同作用，保護(hù)ADM3485E RS-485收發(fā)器。

電磁兼容性

為了確保這些設(shè)計(jì)能夠在“真實(shí)世界”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(hù)確信它們?cè)趷毫拥碾姎猸h(huán)境下也能正常工作。

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)范包括以下三種類(lèi)型的高電壓瞬變，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

所有這些規(guī)范都定義了測(cè)試方法，用以評(píng)估設(shè)備對(duì)指定現(xiàn)象的耐受性。值得注意的是，ESD和單個(gè)EFT脈沖具有類(lèi)似的波形特征，因而具有相似的能級(jí)。但是，電涌脈沖的能級(jí)比ESD和EFT脈沖高三至四個(gè)數(shù)量級(jí)，因而它是三者中破壞性最強(qiáng)的一個(gè)。由于ESD和EFT之間的相似性，相應(yīng)的電路保護(hù)設(shè)計(jì)也很相似，但是由于電涌的能量大，因此必須采取不同的處理方式。在開(kāi)發(fā)保護(hù)電路時(shí)，如果既要保持成本效益，又要提高數(shù)據(jù)端口針對(duì)這三種瞬變的抗擾度，這就是主要問(wèn)題之一。

RS-485瞬變抑制網(wǎng)絡(luò)

就特性而言，EMC瞬態(tài)事件在時(shí)間上會(huì)有變化，因此保護(hù)元件必須具有動(dòng)態(tài)性能，而且其動(dòng)態(tài)特性需要與受保護(hù)器件的輸入/輸出極相匹配，這樣才能實(shí)現(xiàn)成功的EMC設(shè)計(jì)。器件數(shù)據(jù)手冊(cè)一般只包含直流數(shù)據(jù)，由于動(dòng)態(tài)擊穿和I/V特性可能與直流值存在很大差異，因此這些數(shù)據(jù)沒(méi)有太多價(jià)值。必須進(jìn)行精心設(shè)計(jì)并確定特性，了解受保護(hù)器件的輸入/輸出級(jí)的動(dòng)態(tài)性能，并且使用保護(hù)元件，才能確保電路達(dá)到EMC標(biāo)準(zhǔn)。

ADI公司和Bourns，Inc.攜手合作，共同開(kāi)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。這款工具根據(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，工程師可在設(shè)計(jì)周期之初考慮EMC問(wèn)題，從而降低該問(wèn)題導(dǎo)致的項(xiàng)目延誤風(fēng)險(xiǎn)。

圖4所示電路顯示了三種不同的完整特性EMC兼容解決方案。每個(gè)解決方案都經(jīng)過(guò)獨(dú)立外部EMC兼容性測(cè)試公司的認(rèn)證，各方案使用精選的Bourns外部電路保護(hù)元件，針對(duì)ADI公司具有增強(qiáng)ESD保護(hù)性能的ADM3485E 3.3 V RS-485收發(fā)器提供不同的成本/保護(hù)級(jí)別。所用的Bourns外部電路保護(hù)元件包括瞬變電壓抑制器(CDSOT23-SM712)、瞬變閉鎖單元 (TBU-CA065-200-WH)、晶閘管電涌保護(hù)器(TISP4240M3BJR-S)和氣體放電管(2038-15-SM-RPLF)。

每個(gè)解決方案都經(jīng)過(guò)特性測(cè)試，確保保護(hù)元件的動(dòng)態(tài)I/V性能可以保護(hù)ADM3485E RS-485總線引腳的動(dòng)態(tài)I/V特性。ADM3485E的輸入/輸出級(jí)之間的交互，配合外部保護(hù)元件，共同防止受到瞬態(tài)事件的損害。三個(gè)不同電路提供的保護(hù)級(jí)別如表1所示。

結(jié)論

使用EVAL-CN0313-SDPZ提供的解決方案，能夠有效保護(hù)RS-485接口免受真實(shí)世界的高壓瞬態(tài)影響。將機(jī)器人控制網(wǎng)絡(luò)暴露在電子護(hù)欄能源機(jī)的電荷下可提供穩(wěn)定的電路板演示性能。在設(shè)計(jì)面向RS-485網(wǎng)絡(luò)的EMC兼容解決方案時(shí)，主要難題是讓外部保護(hù)元件的動(dòng)態(tài)性能與RS-485器件輸入/輸出結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能相匹配。本文介紹了適用于RS-485通信端口的三種不同EMC兼容解決方案，設(shè)計(jì)人員可按照所需的保護(hù)級(jí)別選擇保護(hù)方案。EVAL-CN0313-SDPZ是業(yè)界首個(gè)EMC兼容RS-485客戶(hù)設(shè)計(jì)工具，針對(duì)ESD、EFT和電涌提供最高四級(jí)保護(hù)(包括四級(jí))。雖然這些設(shè)計(jì)工具不能取代所需的系統(tǒng)級(jí)嚴(yán)格評(píng)估和專(zhuān)業(yè)資質(zhì)，但能夠讓設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)周期早期降低由于EMC問(wèn)題導(dǎo)致的項(xiàng)目延誤風(fēng)險(xiǎn)，從而縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間和上市時(shí)間。有關(guān)詳情，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)： www.analog.com/RS485emc

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