【導讀】在工業(yè)與儀器儀表應用(I&I)中，常常需要在距離很遠的多個系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)。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標準之一。RS-485的應用包括：過程控制網(wǎng)絡、工業(yè)自動化、遠程終端、樓宇自動化(例如，暖通空調(HVAC)、保安系統(tǒng))、電機控制和運動控制。
在這些實際的系統(tǒng)中，雷擊、電源波動、感應開關和靜電放電會通過產(chǎn)生較大瞬變電壓對通信端口造成損害。設計人員必須確保設備不僅能在理想條件下工作，而且能夠在實際可能遇到的惡劣環(huán)境下正常工作。
我們的示例帶有機械臂控制，并使用電子護欄增能器直接將真實浪涌脈沖施加在通信線路上，以此演示RS-485網(wǎng)絡解決方案的穩(wěn)定性。
演示網(wǎng)絡
在電機控制網(wǎng)絡上演示RS-485 EMC保護電路和EVAL-CN0313-SDP設計工具，該網(wǎng)絡由3個節(jié)點組成：一個機械臂控制節(jié)點、一個遠程控制例程節(jié)點，以及一個監(jiān)控來自PC總線數(shù) 據(jù)的節(jié)點。機械臂節(jié)點通過ADuC7128微控制器的PWM輸出信號控制機械臂中的伺服電機，微控制器通過ezLINX™板上的CAN接收控制信息并作出響應，通過RS-485 EMC板上的UART轉換至/自RS-485數(shù)據(jù)。遠程控制例程包括一個BF548 EZ-KIT®，允許選擇觸摸屏和回放例程，并再次通過CAN接口和ezLINX板轉換至/自RS-485。PC節(jié)點包含系統(tǒng)演示平臺板，通過USB與PC軟件對接；還包含UART，可與RS-485 EMC板對接。圖1顯示了帶有電子護欄能源機的三節(jié)點網(wǎng)絡功能框圖。
圖1. 帶電子護欄能源機的RS-485三節(jié)點網(wǎng)絡功能框圖
來自電子護欄能源機的8 kV瞬態(tài)電壓會直接注入通信總線的A和B線路(波形如圖2所示)。該設備設計為可電氣化60 km護欄(如將牲畜圍在某一區(qū)域內)。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。切斷開關(圖3照片中心位置的黃色部分)提供耐高壓的機械開關，用于兩次演示之間斷開護欄能源機。這樣，能源機就可以累積足夠的電荷用于下一次演示的全8 kV放電。
圖2. 來自電子護欄能源機的8 kV瞬態(tài)電壓
圖3. 帶電子護欄能源機的RS-485三節(jié)點網(wǎng)絡框圖演示
耦合瞬態(tài)電壓后，可以直接觀察到氣體放電管(GDT)的動作，因為每次放電都會點亮氣體放電管(GDT)，與護欄能源機產(chǎn)生的聽得見的咔嚓聲同步。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器(TISP)作出更快速的響應之后才會執(zhí)行該操作，從而使全部三種類型的保護器件共同作用，保護ADM3485ERS-485收發(fā)器。
電磁兼容性
為了確保這些設計能夠在“真實世界”的環(huán)境下工作，各個政府機構和監(jiān)管機構實施了EMC法規(guī)。如果設計符合這些法規(guī)，可以讓最終用戶確信它們在惡劣的電氣環(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備。這組規(guī)范包括以下三種類型的高電壓瞬變，設計人員必須確保數(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)范都定義了測試方法，用以評估設備對指定現(xiàn)象的耐受性。值得注意的是，ESD和單個EFT脈沖具有類似的波形特征，因而具有相似的能級。但是，電涌脈沖的能級比ESD和EFT脈沖高三至四個數(shù)量級，因而它是三者中破壞性最強的一個。由于ESD和EFT之間的相似性，相應的電路保護設計也很相似，但是由于電涌的能量大，因此必須采取不同的處理方式。在開發(fā)保護電路時，如果既要保持成本效益，又要提高數(shù)據(jù)端口針對這三種瞬變的抗擾度，這就是主要問題之一。
RS-485瞬變抑制網(wǎng)絡
就特性而言，EMC瞬態(tài)事件在時間上會有變化，因此保護元件必須具有動態(tài)性能，而且其動態(tài)特性需要與受保護器件的輸入/輸出極相匹配，這樣才能實現(xiàn)成功的EMC設計。器件數(shù)據(jù)手冊一般只包含直流數(shù)據(jù)，由于動態(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)沒有太多價值。必須進行精心設計并確定特性，了解受保護器件的輸入/輸出級的動態(tài)性能，并且使用保護元件，才能確保電路達到EMC標準。
ADI公司和Bourns，Inc.攜手合作，共同開發(fā)了業(yè)界首個EMC兼容RS-485接口設計工具，提供針對IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4 EFT和IEC 61000-4-5電涌的四級保護，從而擴展面向系統(tǒng)的解決方案組合。這款工具根據(jù)所需保護級別和可用預算為設計人員提供相應的設計選項。借助這些設計工具，工程師可在設計周期之初考慮EMC問題，從而降低該問題導致的項目延誤風險。
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。每個解決方案都經(jīng)過獨立外部EMC兼容性測試公司的認證，各方案使用精選的Bourns外部電路保護元件，針對ADI公司具有增強ESD保護性能的ADM3485E3.3 V RS-485收發(fā)器提供不同的成本/保護級別。所用的Bourns外部電路保護元件包括瞬變電壓抑制器(CDSOT23-SM712)、瞬變閉鎖單元(TBU-CA065-200-WH)、晶閘管電涌保護器(TISP4240M3BJR-S)和氣體放電管(2038-15-SM-RPLF)。
圖4. 三個EMC兼容ADM3485E電路(原理示意圖，未顯示所有連接)
每個解決方案都經(jīng)過特性測試，確保保護元件的動態(tài)I/V性能可以保護ADM3485E RS-485總線引腳的動態(tài)I/V特性。ADM3485E的輸入/輸出級之間的交互，配合外部保護元件，共同防止受到瞬態(tài)事件的損害。三個不同電路提供的保護級別如表1所示。
表1. 三種ADM3485E EMC兼容解決方案
結論
使用EVAL-CN0313-SDPZ提供的解決方案，能夠有效保護RS-485接口免受真實世界的高壓瞬態(tài)影響。將機器人控制網(wǎng)絡暴露在電子護欄能源機的電荷下可提供穩(wěn)定的電路板演示性能。在設計面向RS-485網(wǎng)絡的EMC兼容解決方案時，主要難題是讓外部保護元件的動態(tài)性能與RS-485器件輸入/輸出結構的動態(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，設計人員可按照所需的保護級別選擇保護方案。EVAL-CN0313-SDPZ是業(yè)界首個EMC兼容RS-485客戶設計工具，針對ESD、EFT和電涌提供最高四級保護(包括四級)。雖然這些設計工具不能取代所需的系統(tǒng)級嚴格評估和專業(yè)資質，但能夠讓設計人員在設計周期早期降低由于EMC問題導致的項目延誤風險，從而縮短產(chǎn)品設計時間和上市時間。
本文轉載自亞德諾半導體。
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