如何保护RS-485通信网络不受有害EMC影响

将数个极端快速的瞬变脉冲耦合到信号线上，以代表容性耦合到通信端口的外部开关电路的瞬态干扰，这种干扰可能包括继电器和开关触点抖动，以及切换感性或容性负载引起的瞬变，所有这些在工业环境中非常常见。EC 61000-4-4中定义的EFT测试尝试模拟因为这些类型的事件产生的干扰。

　　图2显示EFT 50 Ω负载波形。EFT波形用具有50 Ω输出阻抗的发生器在50 Ω阻抗上产生的电压来描述。输出波形由15 ms的2.5 kHz至5 kHz突发高压瞬变脉冲组成，以300 ms间隔重复。每个脉冲具有5 ns的上升时间和50 ns的持续时间，在波形的上升和下降沿的50%点之间测量。单个EFT脉冲的总能量与ESD脉冲相似。单个脉冲的总能量典型值为4 mJ.施加于数据端口的电压可以高达2 kV.

　　图2. IEC 61000-4-4 EFT 50 Ω负载波形

　　这些快速突发瞬变通过电容耦合钳耦合到通信线路。EFT通过耦合钳容性耦合到通信线路，而不是直接接触。这同样降低了EFT发生器的低输出阻抗所引起的负载。耦合钳和电缆之间的耦合电容取决于电缆直径、屏蔽和绝缘。

电涌瞬变

　　电涌瞬变由开关或雷电瞬变产生的过压引起。开关瞬变的原因可以是电源系统切换、电源分配系统的负载变化或短路等各种系统故障。雷电瞬变的原因可以是附近的雷击将高电流和电压注入电路中。IEC 61000-4-5定义了用于评估对这些破坏性电涌的抗扰度的波形、测试方法和测试级别。

　　波形定义为开路电压和短路电流下波形发生器的输出。标准描述了两种波形。10/700 μs组合波形用于测试要连接到对称通信线路的端口，例如电话交换线。1.2/50 μs组合波形发生器用于所有其他情形，特别是短距离信号连接。RS-485端口主要使用1.2/50 μs波形，本部分将予以说明。波形发生器的有效输出阻抗为2 Ω，因此电涌瞬变相关的电流非常高。

　　图3显示1.2/50 μs电涌瞬变波形。ESD和EFT具有相似的上升时间、脉冲宽度和能量水平，但电涌脉冲的上升时间为1.25 μs,脉冲宽度为50 μs.此外，电涌脉冲能量可以达到90 J,比ESD或EFT脉冲的能量高出三到四个数量级。因此，电涌瞬变被认为是最严重的EMC瞬变。ESD与EFT相似，因此电路保护的设计可以相似，但电涌则不然，其能量非常高，因此必须以不同方式处理。这是开发保护措施以改善数据端口对所有三种瞬变的抗扰度，同时保持高性价比的过程中会遇到的主要问题之一。

　　电阻将电涌瞬变耦合到通信线路。图4显示半双工RS-485器件的耦合网络。并联电阻总和为40 Ω。对于半双工器件，每个电阻为80 Ω。

　　电涌测试期间，将5个正脉冲和5个负脉冲施加于数据端口，各脉冲间隔最长时间为1分钟。标准要求，器件在测试期间设置为正常工作状态。

　　图3. IEC 61000-4-5电涌1.2/50 μs波形

　　图4. 半双工RS-485器件的耦合/去耦网络

　　通过/失败标准

　　将瞬变施加于受测系统时，测试结果按照通过/失败标准分为四类。下面是通过/失败标准的列表，并举例说明各标准与RS-485收发器的关系。

●正常工作；施加瞬变期间或之后不会发生位错误。

　　●功能暂时丧失或性能暂时降低，不需要操作员干预；施加瞬变期间或之后的有限时间内可能发生位错误。

　　●功能暂时丧失或性能暂时降低，需要操作员干预；可能发生闩锁事件，但上电复位后可消除，对器件的功能和性能无永久影响。

　　●功能丧失，设备永久损坏；器件未通过测试。

　　标准A是最希望达到的，标准D是不可接受的。永久损坏会导致系统停机和维修/更换成本。对于任务关键型系统，标准B和标准C也是不可接受的，因为系统在瞬变事件期间必须能无错误运行。

　　瞬变保护

　　设计瞬变保护电路时，设计人员必须考虑以下主要事项：

　　1.该电路必须防止或限制瞬变引起的损坏，并允许系统恢复正常工作，性能影响极小。

　　2.保护方案应当非常可靠，足以处理系统在实际应用经受到的瞬变类型和电压水平。

　　3.瞬变时长是一个重要因素。对于长时间瞬变，热效应可能会导致某些保护方案失效。

　　4.正常条件下，保护电路不得干扰系统运行。

　　5.如果保护电路因为过应力而失效，它应以保护系统的方式失效。

　　图5显示一个典型保护方案，其特征是具有两重保护：主保护和次级保护。主保护可将大部分瞬变能量从系统转移开，通常位于系统和环境之间的接口。它旨在将瞬变分流至地，从而消除大部分能量。

次级保护的目的是保护系统各个部件，使其免受主保护允许通过的任何瞬态电压和电流的损坏。它经过优化，确保能够抵御残余瞬变影响，同时允许系统的敏感部分正常工作。主保护和次级保护的设计必须与系统I/O协同工作，从而最大程度地降低对受保护电路的压力，这点很重要。主保护器件与次级保护器件之间一般有一个协调