在實際工業(yè)和儀器儀表(I&I)應(yīng)用中，RS-485接口鏈路需要在惡劣電磁環(huán)境下工作。雷擊、靜電放電和其他電磁現(xiàn)象引起的大瞬變電壓可能損壞通信端口。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，它們必須符合某些電磁兼容性(EMC)法規(guī)。大家都知道，EMC 描述的是產(chǎn)品兩個方面的性能，即電磁發(fā)射/干擾EME和電磁抗擾EMS。EME中又包含傳導(dǎo)和輻射;而EMS中又包含靜電、脈沖群、浪涌等。本文將從EMS中的浪涌抗擾度的角度出發(fā)，分析設(shè)計電源的前級電路。抗浪涌的電路分析小功率電源模塊中常用的EMC前級原理圖，F(xiàn)USE為保險絲，MOV為壓敏電阻，Cx為X電容，LDM為差模電感，Lcm為共模電感，Cy1和Cy2為Y電容，NTC為熱敏電阻。其中Y電容、共模電感等的主要作用雖然不是為了改善電路的浪涌抗擾度，但它們卻間接地影響了抗浪涌電路的設(shè)計。
1 主回路吸收電路與di/dt抑制電路
整流電路在輸入側(cè)要接抗雷擊過電壓或操作過電壓吸收電路，這種吸收電路由星形連接的高頻、高壓電容器(如470p/2Kv)和壓敏電阻(如20k/1Kv)組成，具體電路見圖1中R1、R2、R3 和C1、C2、C3。逆變器部分在高頻開關(guān)狀態(tài)時，產(chǎn)生電壓尖脈沖，如果不加以處理將損壞IGBT模塊、干擾驅(qū)動電路。采用吸收電路可以抑制電壓尖脈沖，當(dāng)前變頻器中常用的吸收電路有三種形式，如圖2 所示，根據(jù)所用開關(guān)器件和功率等級來選擇使用。
圖2 IGBT常用吸收電路
2 控制及驅(qū)動電路的電路板EMC設(shè)計
現(xiàn)代
a)縮短高頻走線布局圖 b)數(shù)字與模擬電路分開線布局圖
圖3 兩種參考布局圖
在整個PCB中，布線過程限定最高、技巧最細(xì)、工作量最大，布線不當(dāng)會產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。以變頻器控制電路為例，布線中應(yīng)遵循如下基本原則：電路板盡量采用四層板;印制導(dǎo)線的布設(shè)應(yīng)盡可能短，拐彎成圓角;印制導(dǎo)線寬度最小不宜小于0.2mm,間距一般可取0.3mm,公共地線應(yīng)盡可能的粗;布線順序應(yīng)遵循先布高頻線(如PWM 信號線)、干擾線(如晶振走線), 后布普通線;數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)盡可能隔離，并且數(shù)字地與模擬地要分離;多層線路板的電源和地線是由不蝕刻的銅箔板形成,這種大的接地平面形成了極低的電源阻抗。因此多層板的優(yōu)點在于對公共耦合阻抗不太敏感，且提供了屏蔽。下圖4給出四層板布線示意圖。
圖 4 四層板布線實例
3)旁路和去耦
旁路和去耦可防止能量從一個電路傳到另一個電路，近而提高配電系統(tǒng)的質(zhì)量。通過合理布置去耦電容可以為器件提供局部化的DC電源，減少跨板浪涌電流以及進入到電路板的高頻能量。通過增加旁路電容產(chǎn)生AC通路來消除無意義能量進入敏感部分，另外還可以提供帶寬受限濾波。
圖5 去耦電容模型及安裝圖
上圖5 a)給出了去耦電容的實際等效電路，b)給出了正確安裝方法(右圖)和錯誤安裝方法(左圖)的對照。可以得知，去耦電容引線盡可能短才能減小寄生參數(shù)、達到很好的去耦效果。
這些要求包括三個主要瞬變抗擾度標(biāo)準(zhǔn)：靜電放電、電快速瞬變和電涌。
許多EMC問題并不簡單或明顯，因此必須在產(chǎn)生設(shè)計開始時予以考慮。如果把這些問題留到設(shè)計周期后期去解決，可能導(dǎo)致工程預(yù)算和計劃超限。
1、RS-485標(biāo)準(zhǔn)
工業(yè)與儀器儀表(I&I)應(yīng)用常常需要在距離很遠(yuǎn)的多個系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)。RS-485電氣標(biāo)準(zhǔn)是I&I應(yīng)用中使用最廣泛的物理層規(guī)范之一，I&I應(yīng)用包括：工業(yè)自動化、過程控制、電機控制和運動控制、遠(yuǎn)程終端、樓宇自動化(暖通空調(diào)HVAC等)、安保系統(tǒng)和再生能源等。
使RS-485成為I&I通信應(yīng)用理想之選的一些關(guān)鍵特性如下：
長距離鏈路—最長4000英尺;
可在一對絞線電纜上雙向通信;
差分傳輸可提高共模噪聲抗擾度，減少噪聲輻射;
可將多個驅(qū)動器和接收器連接至同一總線;
寬共模范圍(–7 V至+12 V)允許驅(qū)動器與接收器之間存在地電位差異;
TIA/EIA-485-A允許數(shù)據(jù)速率達到數(shù)十Mbps。
TIA/EIA-485-A描述RS-485接口的物理層，通常與Profibus、Interbus、Modbus或BACnet等更高層協(xié)議配合使用，能夠在相對較長的距離內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。
但在實際應(yīng)用中，雷擊、功率感應(yīng)、直接接觸、電源波動、感應(yīng)開關(guān)和靜電放電可能產(chǎn)生較大瞬變電壓，對RS-485收發(fā)器造成損害。設(shè)計人員必須確保設(shè)備不僅能在理想條件下工作，而且能夠在實際可能遇到的惡劣環(huán)境下正常工作。為了確保這些設(shè)計能夠在電氣條件惡劣的環(huán)境下工作，各個政府機構(gòu)和監(jiān)管機構(gòu)實施了EMC法規(guī)。如果設(shè)計符合這些法規(guī)，可以讓最終用戶確信它們在惡劣環(huán)境下也能正常工作。
2、電磁兼容性
電磁環(huán)境由輻射和傳導(dǎo)兩種能量組成，因此EMC包括兩個方面：發(fā)射和耐受性。EMC是指電氣系統(tǒng)在目標(biāo)電磁環(huán)境下保持良好性能且不會向該環(huán)境引入大量電磁干擾的能力。本文討論如何提高RS-485端口的EMC耐受性以防范三種主要EMC瞬變。
國際電工委員會(IEC)是致力于制定和發(fā)布所有電氣、電子和相關(guān)技術(shù)國際標(biāo)準(zhǔn)的全球領(lǐng)先組織。自1996年以來，向歐盟出售或在歐盟范圍內(nèi)出售的所有電子設(shè)備都必須達到IEC 61000-4-x規(guī)范定義的EMC級別。
TheIEC 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)范包括以下三類高電壓瞬變，電子設(shè)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電涌耐受性。
所有這些規(guī)范都定義了測試方法，用以評估電子和電氣設(shè)備對指定現(xiàn)象的耐受性。下面概要說明各種測試。
2.1、靜電放電測試
ESD是指靜電荷在不同電位的實體之間的突然傳輸，由靠近接觸或電場感應(yīng)引起。其特征是在短時間內(nèi)產(chǎn)生高電流。IEC 61000-4-2測試的主要目的是確定系統(tǒng)在工作過程中對系統(tǒng)外部ESD事件的抗擾度。
測試期間，數(shù)據(jù)端口須經(jīng)受至少10次正極放電和10次負(fù)極放電，脈沖之間間隔1秒。測試電壓的選擇取決于系統(tǒng)端環(huán)境。規(guī)定的最高測試為4級，要求接觸放電電壓為±8 kV，空氣放電電壓為±15 kV。 圖1顯示了規(guī)范所述的8 kV接觸放電電流波形。一些關(guān)鍵波形參數(shù)包括小于1 ns的上升時間和大約60 ns的脈沖寬度。這說明脈沖總能量約為數(shù)十mJ。
原理圖
NO.1
1.RS485接口6KV防雷電路設(shè)計方案
圖1 RS485接口防雷電路
接口電路設(shè)計概述：
RS485用于設(shè)備與計算機或其它設(shè)備之間通訊，在產(chǎn)品應(yīng)用中其走線多與電源、功率信號等混合在一起，存在EMC隱患。
本方案從EMC原理上，進行了相關(guān)的抑制干擾和抗敏感度的設(shè)計，從設(shè)計層次解決EMC問題。
2.電路EMC設(shè)計說明：
(1) 電路濾波設(shè)計要點：
L1為共模電感，共模電感能夠?qū)λp共模干擾，對單板內(nèi)部的干擾以及外部的干擾都能抑制，能提高產(chǎn)品的抗干擾能力，同時也能減小通過429信號線對外的輻射，共模電感阻抗選擇范圍為120Ω/100MHz ~2200Ω/100MHz，典型值選取1000Ω/100MHz;
C1、C2為濾波電容，給干擾提供低阻抗的回流路徑，能有效減小對外的共模電流以同時對外界干擾能夠濾波;電容容值選取范圍為22PF~1000pF，典型值選取100pF;若信號線對金屬外殼有絕緣耐壓要求，那么差分線對地的兩個濾波電容需要考慮耐壓;
當(dāng)電路上有多個節(jié)點時要考慮降低或去掉濾波電容的值。C3為接口地和數(shù)字地之間的跨接電容，典型取值為1000pF， C3容值可根據(jù)測試情況進行調(diào)整;
(2) 電路防雷設(shè)計要點：
為了達到IEC61000-4-5或GB17626.5標(biāo)準(zhǔn)，共模6KV，差模2KV的防雷測試要求，D4為三端氣體放電管組成第一級防護電路，用于抑制線路上的共模以及差模浪涌干擾，防止干擾通過信號線影響下一級電路;
氣體放電管標(biāo)稱電壓VBRW要求大于13V，峰值電流IPP要求大于等于143A;
峰值功率WPP要求大于等于1859W;
PTC1、PTC2為熱敏電阻組成第二級防護電路，典型取值為10Ω/2W;
為保證氣體放電管能順利的導(dǎo)通，泄放大能量必須增加此電阻進行分壓，確保大部分能量通過氣體放電管走掉;
D1~D3為TSS管(半導(dǎo)體放電管)組成第三級防護電路，TSS管標(biāo)稱電壓VBRW要求大于8V，峰值電流IPP要求大于等于143A;峰值功率WPP要求大于等于1144W;
3.接口電路設(shè)計備注：
如果設(shè)備為金屬外殼，同時單板可以獨立的劃分出接口地，那么金屬外殼與接口地直接電氣連接，且單板地與接口地通過1000pF電容相連;
如果設(shè)備為非金屬外殼，那么接口地PGND與單板數(shù)字地GND直接電氣連接。
PCB設(shè)計
NO.2
1.RS485接口電路布局
圖1 RS485接口濾波及防護電路布局
方案特點：
(1)防護器件及濾波器件要靠近接口位置處擺放且要求擺放緊湊整齊，按照先防護后濾波的規(guī)則，走線時要盡量避免走線曲折的情況;
(2)共模電感與跨接電容要置于隔離帶中。
方案分析：
(1)接口及接口濾波防護電路周邊不能走線且不能放置高速或敏感的器件;
(2)隔離帶下面投影層要做掏空處理，禁止走線。
2. RS485接口電路分地設(shè)計
EMC電路的定義和作用
EMC(Electromagnetic Compatibility)是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。EMC包括兩個主要方面：EMI(Electromagnetic Interference，電磁干擾)和EMS(Electromagnetic Susceptibility，電磁敏感性)。
EMC電路的工作原理
?濾波器的工作原理?：EMC濾波器主要用于濾除傳導(dǎo)干擾，抑制和衰減外界產(chǎn)生的噪聲信號，保護設(shè)備不受干擾。濾波器實質(zhì)上是一個選頻電路，允許某一部分頻率的信號通過，而抑制其他無用頻率的信號。常見的低通濾波器允許低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾噪聲。
?屏蔽的工作原理?：輻射干擾主要通過屏蔽手段加以濾除。屏蔽材料可以有效減少電磁波的輻射和傳導(dǎo)，從而降低設(shè)備對外界的干擾。
EMC電路的應(yīng)用領(lǐng)域
EMC電路廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，以確保設(shè)備在電磁環(huán)境中正常工作，不會對其他設(shè)備造成干擾，同時也能抵抗外界的電磁干擾。例如：?電源線濾波器?：用于保護設(shè)備免受電源線上的電磁干擾。?射頻干擾濾波器?：用于減少無線電頻率設(shè)備對其他電子設(shè)備的干擾。?屏蔽盒?：用于包裹電子設(shè)備，防止電磁波外泄或進入，保護設(shè)備免受外界干擾。通過這些措施，EMC電路確保了電子設(shè)備的穩(wěn)定運行，提高了設(shè)備的可靠性和安全性。
IEC 61000-4-2描述了兩種耦合測試方法，即所謂接觸放電和空氣放電。接觸放電要求放電槍與受測單元直接接觸。在空氣放電測試期間，放電槍的充電電極朝向受測單元移動，直到氣隙上發(fā)生電弧放電。放電槍不與受測單元直接接觸?？諝夥烹姕y試的結(jié)果和可重復(fù)性會受到多種因素的影響，包括濕度、溫度、氣壓、距離和放電槍逼近受測單元的速率。這種方法能夠更好地反映實際ESD事件，但可重復(fù)性較差。因此，接觸放電是首選測試方法。
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