接口EMC设计(一)——RS485

一、RS485简介

       定义:RS485是一种串行通信标准,使用差分传输,其中一路定义为A,另一路定义为B

       优势:具有较强的共模抑制能力,通信速率可高达10Mbit/s,理论通讯距离可达1200米。

       电气特性:MARK逻辑“1”以两线间的电压差为+(2~6)V表示;SPACE逻辑“0”以两线间的电压差为-(2~6)V表示。

 二、RS485接口电路结构

       RS485 接口设计可能会影响的EMC问题有:辐射问题、干扰问题、雷击浪涌等。

       1) RS485 接口可能带出单板内部的干扰,通过线缆形成对外辐射导致辐射发射测试超标;

       2) RS485 会受外界干扰会导致通讯异常,如脉冲群干扰、射频干扰;

       3) 存在户外走线时,有存在雷击损坏的风险。

       针对上述风险,我们设计的常用的RS485防护电路拓扑结构如下,基本可以满足日常工业的实际需求,对于一些防护要求更加苛刻的应用工况,可以根据测试需求进行参数调整。

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    1、电路设计分析

       1) GDT1、GDT2为气体放电管,高防护等级要求产品需增加,主要是为了抑制线路上的共模和差模浪涌干扰,形成初级保护电路,避免对内部电路形成破坏性的损坏;

       2) PTC1、PTC2为热敏电阻,一般工业应用可以不加,但为保证气体放电管能顺利的导通,泄放大能量增加此电阻进行分压,确保大部分能量通过气体放电管导走;

       3) D1、D2、D3为TVS管,相比前两级,第三级防护为更精细的防护作用;

       4) L1为共模电感,对共模干扰形成高阻抗,C1~C2则为干扰提供低阻抗泄放通路,避免干扰进入后级电路,同时L1也能减小板卡对外的辐射。

       上述1~2点主要实现了接口对雷击浪涌等大能量冲击的防护,当RS485安装在室外场景时需增设;第3~4点主要在静电防护、抑制辐射骚扰方面发挥作用,当RS485安装在室内电磁环境温和时即可满足防护需求。

    2、PCB布局要点

       1) 上述电路结构中,防护器件回流路径为FG(设备外壳),即表示当设备为金属外壳时,L1前后最好进行分地处理,板卡地与FG通过跨接电容连接;当设备为非金属外壳时,FG与板卡地直接连接

       2) 防护器件要靠近端口布局,遵守先保护后滤波原则,有序摆放,减少因为布线带来的分布参数影响;

       3)接口及接口滤波保护电路周围不布线;

       4)RS485信号线走差分,提高抗干扰能力。

三、总结

       本章对RS485的接口防护设计进行了详细说明,关于器件参数选型根据实际测试需求进行调整,器件选型方法也可以参考上一系列《初识EMC元器件》。根据产品应用场景设计所需的防护等级,才能实现高性价比设计。

        下一章我们将走进下一个常用接口《接口EMC设计(二)——RS232》。

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关于ADIADI公司是业界广泛认可的数据转换和信号处理技术全球领先的供应商,拥有遍布世界各地的60,000客户,涵盖了全部类型的电子设备制造商。作为领先业界40多年的高性能模拟集成电路(IC)制造商,ADI的产品广泛用于模拟信号和数字信号处理领域。 现代工业网络依赖于强健的RS485通讯链路来实现长距离数据传输,所以保护信号的清晰度成为了个挑战。这些网络需要工作在严酷的工业环境中,因此它们会接触到强大的电磁干扰,包括由静电放电(ESD)、电快速瞬变脉冲群(EFT)和雷击带来的瞬间高电压。长距离通讯的数据速率从10kbps到250kbps不等,传输距离高达1200米,近期的发展甚至高达2000米。由于其能够在双绞线电缆上实现差分信号传输技术以及其能够在高共模环境性中实现高可靠性的工作,RS485俨然成为了工业应用中接口技术的中流砥柱。 而ADI推出的RS-485评估板正是用于保护工业和仪器仪表设备不受EMC(电磁兼容性)损害,并且是业界首款通过认证的评估板。内置ADI的ADM3485E收发器,符合IEC61000-4-2/4/5 ESD(静电保护)、EFT (电快速瞬变)和功率电涌规格要求。 RS-485评估板主要功能: ■经过认证可保护ADI的ADM3485E(ADM3485E数据手册)收发器: ■6 kV、4 kV和、1 kV浪涌(IEC61000-4-5) ■2 kV EFT和8 kV接触(IEC61000-4-4) ■15 kV气隙放电ESD (IEC61000-4-2) ADM3485E是款3.3 V低功耗数据收发器,是经过验证并测试的电磁兼容性(EMC)解决方案,可为使用广泛的RS-485通信端口提供三重保护。每个解决方案都经过测试和特性表征,确保收发器和保护电路元件之间的动态交互能够协同工作,保护它们免遭静电放电(ESD)、电快速瞬变脉冲群(EFT)和电涌的破坏。每款解决方案都向数据端口提供ESD电压(8 kV接触放电和 15 kV空气放电)以及2 kV的EFT电压保护。不同的解决方案提 供高达6 kV的更高电涌保护等级。 总结 许多EMC的问题并不简单,且不易呈现,因此必须在产品开发周期的初级阶段即将其考虑在内。正确的解决方案和保护电路必须作为整体设计部分,而非留到最后刻。保护电路必须集成特定收发器生产商的输入和输出结构,作为设计的组成部分。 该参考设计虽然是以RS485为基础设计的,但是工程师们可以借鉴其EMC的解决方法。
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