原來全是套路！三個經(jīng)典的RS-485端口EMC防護(hù)方案詳解（上）
在實際的工業(yè)、電力、自動化及儀器儀表應(yīng)用中，RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)是使用最廣泛的物理層總線設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)之一，由于其會在惡劣電磁環(huán)境下工作，為了確保這些數(shù)據(jù)端口能夠在最終安裝環(huán)境中正常工作，它們必須符合相關(guān)的電磁兼容性(EMC)法規(guī)。在本文中，世健公司結(jié)合優(yōu)勢的代理線ADI( RS-485芯片)、Bourns(在端口EMC防護(hù)方面的器件)，從原理分析到實測來為大家?guī)碓敿?xì)的RS485的端口防護(hù)分析。
在RS-485端口的EMC設(shè)計中，我們需要重點考慮三個因素：靜電放電(ESD)、電快速瞬變(EFT)和浪涌(Surge)。 國際電工委員會(IEC)規(guī)范定義了一組EMC抗擾度要求，這組規(guī)范包括以下三種類型的高電壓瞬變，設(shè)計人員需要確保數(shù)據(jù)通信線路不受這些瞬變的損害。這三種類型分別是:
n IEC 61000-4-2靜電放電(ESD)
n IEC 61000-4-4電快速瞬變(EFT)
n IEC 61000-4-5浪涌抗擾度(Surge)
Excelpoint世健公司技術(shù)支持部副總監(jiān)Angus Zhao說：“RS-485端口的保護(hù)方案就是要設(shè)法去滿足ESD、EFT、Surge這三種規(guī)范的要求。所以想要設(shè)計出合規(guī)的RS-485端口EMC方案，首先就要透徹了解這三個規(guī)范。”國內(nèi)針對IEC標(biāo)準(zhǔn)也有同樣的等同標(biāo)準(zhǔn)可以參考，比如在電力及輸配電應(yīng)用中，很多采用了GB/T17626.2 ESD, GB/T17626.4 EFT, GB/T17626.5 Surge的對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，本文以IEC標(biāo)準(zhǔn)為例說明。
靜電放電
靜電放電(ESD)是指兩個電位不同的帶電體之間因為近接觸或電場的傳導(dǎo)而突然產(chǎn)生靜電電荷的傳輸。其特性是在較短的時間內(nèi)有較大的電流。IEC 61000-4-2測試的主要目，就是確定系統(tǒng)在工作過程中對系統(tǒng)外部ESD事件的抗擾度。IEC 61000-4-2規(guī)定了不同環(huán)境狀況下的電壓測試級別，共分4個級別。1級最輕微，4級最嚴(yán)重。1級和2級適合擁有防靜電材料的受控環(huán)境中安裝的產(chǎn)品。3級和4級適合情況更嚴(yán)重的環(huán)境中安裝的產(chǎn)品，這類環(huán)境下更常發(fā)生帶有較高電壓的ESD事件。
圖1:ESD 特性曲線
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級別/類別 |
接觸放電測試電壓（KV） |
氣隙放電測試電壓（KV） |
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1 2 3 4 |
2 4 6 8 |
2 4 8 15 |
圖2:IEC 61000-4-2 ESD測試級別和安裝類別
電快速瞬變(脈沖群)
電快速瞬變(EFT)測試的是，將大量極快的瞬變脈沖耦合到信號線上，系統(tǒng)與外部開關(guān)電路關(guān)聯(lián)的瞬變干擾，這類電路能夠以容性方式耦合至通信端口。EFT的纏上包括繼電器和開關(guān)觸點抖動，或者因為感性或容性負(fù)載切換而產(chǎn)生的瞬變，而所有這些在工業(yè)環(huán)境中都很常見。EC 61000-4-4中定義的 EFT測試，就是去模擬這些事件產(chǎn)生的干擾。
圖3：EFT特性曲線
IEC 61000-4-4規(guī)定了不同環(huán)境狀況下的電壓測試級別，分為4級。同時規(guī)定了不同測試級別對應(yīng)的測試電壓和脈沖重復(fù)速率。
• 1級表示保護(hù)措施很好的環(huán)境
• 2級表示受保護(hù)的環(huán)境
• 3級表示典型的工業(yè)環(huán)境
• 4級表示惡劣的工業(yè)環(huán)境
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級別 |
數(shù)據(jù)端口測試電壓和重復(fù)速率 |
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峰值電壓（KV） |
重復(fù)速率（KHz） |
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1 2 3 4 |
0.25 0.5 1 2 |
5或100 5或100 5或100 |
圖4：IEC 61000-4-4 EFT 測試級別
浪涌(Surge)
浪涌通常由開關(guān)操作造成的過壓情況或雷擊造成。開關(guān)瞬變的起因可能是電力系統(tǒng)切換、配電系統(tǒng)中的負(fù)載變化或各種系統(tǒng)故障。雷擊瞬變的起因可能是附近的雷擊導(dǎo)致向電路中注入了較大的電流和電壓。IEC 61000-4-5定義了在容易受到這些浪涌現(xiàn)象影響的情況下用于評估電子電氣設(shè)備抗擾度的波形、測試方法和測試級別。
圖5：Surge特性曲線
浪涌的能量級別可以達(dá)到ESD或EFT脈沖能量級別的三到四個數(shù)量級。因此，浪涌可以視作是EMC瞬變規(guī)范中最嚴(yán)重的一種。由于ESD和EFT之間的相似性，相應(yīng)的電路保護(hù)設(shè)計也很相似，但是由于浪涌的能量大，因此必須采取不同的處理方式。
Excelpoint世健公司技術(shù)支持部副總監(jiān)Angus Zhao說：“開發(fā)EMC保護(hù)電路的過程，就是要根據(jù)實際應(yīng)用的場景，達(dá)到相應(yīng)的上述三種瞬變的抗擾度的規(guī)范要求，同時又要保證成本效益。這看似復(fù)雜的工作，實際上有它自己的原則和套路可循。”
世健公司將在下一期的文章中做更詳細(xì)的介紹。
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