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让 RS-485 接口远离 EMI 风险！这有三个实用方案

时间：2019-07-15 15:11来源：Digi-Key Alan

摘要：本文介绍了RS-485的工作原理及其面临的EMI风险（静电干扰、电快速瞬变脉冲群、浪涌电压），并且探讨了几种有助于RS-485应对复杂恶劣的电磁环境挑战的EMC解决方案，诸如TVS、TBU、浪涌抑制专用芯片等，并分享了相关选型经验。

RS-485凭借良好的共模噪声的抗干扰的能力，适于长距离信号传输，特别是广泛应用于工业环境中。本文介绍了RS-485的工作原理及其面临的EMI风险（静电干扰、电快速瞬变脉冲群、浪涌电压），并且探讨了几种有助于RS-485应对复杂恶劣的电磁环境挑战的EMC解决方案，诸如TVS、TBU、浪涌抑制专用芯片等，并分享了相关选型经验。

RS-485接口往往需要工作在恶劣的电磁环境下，还要求实现长距离数据传输（可以达到1200米）、高速（可以达到几十Mbps）。那么在设计方面需要注意一些什么呢？本文主要介绍RS-485的工作模式，以及RS-485可能面对的EMC电磁干扰以及对应的解决方案。

详解RS-485工作原理以差分传输来应对共模干扰
当RS-485芯片接受到差分电压大于200mV时，RO脚输出低电平，而本身DI可以输出1.5V的差分电压。因此有足够的余量来支持长距离传输以及各种环境噪声的干扰。

 
图1，RS-485芯片工作原理
 
为了消除在通信电缆中的信号反射，一般使用双绞线来避免干扰。对于比较长的连接，一般的做法是在RS-485总线的开始和末端都并接终端电阻，因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在120Ω左右。

RS-485的工作模式
以ADI的ADM3061EARZ为例，半工RS-485连接支持多个接收器和发射器在同一个信号回路上，但是要保证每次只有一个发射器工作。这个可以通过控制RE（收器使能）、DE（发射器使能引脚）来实现。半工RS-485可以双向数据传输，但是每一个时间节点上只能一个方向传输信号。

 
图2，RS-485收发器的工作模式
 
了解更多RS485收发器信息，请参考Digi-Key官网上的详细资料。

RS-485如何连接
为了避免信号反射，在多个RS-485连接时，支路长度（Stub Length）越短越好。同时要避免其他类型的连接，比如星型连接。
注：理论上支路长度应该小于1/4波长（传输频率对应的波长），实际应用上越小越好。

 
图3，RS-485的正确连接
 
最大可以接多少个节点由RS-485接收器的输入阻抗来决定，标准RS-485接收器输入阻抗大于12K欧姆，最多可以驱动32个负载。输入电阻越大，驱动的负载越多。比如ADM3061EARZ输入阻抗48K欧姆，最多可以驱动128个负载。

 
图4，RS-485接收器的输入阻抗和负载数量
 
RS-485面临的EMC电磁干扰风险
对于RS-485的EMC电磁干扰需要考虑下面三种情况的静电防护：

“静电”防护ESD：
干扰成因：静电引起的干扰
干扰路径：手指触碰
对应标准：IEC 61000-4-2
典型干扰波形：接触放电±8 kV ，ESD脉冲4mJ ，ESD波形(接触放电8kV)

 
图5，静电干扰典型干扰波形
 
“电快速瞬变脉冲群” 防护EFT
干扰成因：快速开关引起的干扰，比如：切断感性负载、继电器触点弹跳等
干扰路径：高频噪声通过各种路径耦合到通信端口
对应标准：IEC 61000-4-4
典型干扰波形：端口电压2kV，单个EFT脉冲能量4mJ ，EFT 50Ω负载波形2kV

 
图6，电快速瞬变脉冲群典型干扰波形
 
“浪涌”防护Surge
干扰成因：开关或雷电瞬变引起的干扰
干扰路径：各种路径耦合到通信端口
对应标准：IEC 61000-4-5
典型干扰波形：浪涌脉冲能量可以达到90J，浪涌1.2/50µs波形

 
图7，浪涌电压典型干扰波形
 
RS485的EMC电磁干扰解决方案 TVS管保护
如何连接：TVS管连接需要保护的线路与地，提供过压保护。
如何工作：当产生大于TVS的击穿电压的瞬态电压时，TVS电阻变小，能量从TVS管流到地（<1 ns）。在瞬态事件后，TVS管自动复位至低阻抗状态，允许系统恢复正常工作。

 
图8，TVS保护电路
 
TVS管非对称击穿电压：RS485芯片需要保障在+12 V至–7 V的收发器共模范围。因此对于TVS管的要求也是非对称击穿电压。比如CDSOT23-SM712独有特性是具有+13.3V和–7.5V的非对称击穿电压。
如果需要了解更多非对称TVS管信息，请参考Digi-Key官网上非对称TVS管选择的相关资料， 可以根据参数选型，选择「12V (最大), 7V (最小)」项，查找针对RS485设计的TVS管。

 
图9，选择针对RS485设计的TVS
 
TVS管对于EFT和ESD有着比较好保护。而浪涌的能量平均高出ESD和EFT三到四个数量级， 但是TVS管可能不一定能很好的瓦解浪涌的能量，这时则需要更复杂的保护方案。

瞬态闭锁单元(TBU)
如何连接：TBU串联在需要保护的线路中，提供过流保护，与TVS管配合使用。
如何工作：当发生过流，TVS由于瞬态电压工作在击穿状态，TBU阻值变大，电流将升至预设的限流水平。此时，TBU会在不足1µs时间内将受保护电路与浪涌断开，只有极小的电流通过受保护电路 (<1mA) 。在瞬态事件后，TBU自动复位至低阻抗状态，允许系统恢复正常工作。典型的TBU，比如Bourns 的TBU-CA065-200-WH 。

 
图10，TBU保护电路
 
浪涌抑制专用芯片
一个器件提供的保护往往有限，所以对于高要求的应用，往往需要多种器件联合使用。
你可以访问Digi-Key官网，参考有关浪涌抑制IC的资料，选择相关的器件。Digi-Key网站提供丰富的参数选项供选择，下图中「外部开关」指的是器件外部需要另加开关（比如MOS管），而该芯片一般是起到控制作用。而「内部开关」指的是保护电路的开关在芯片的内部。

 
图11，浪涌抑制专用芯片选型参数
 
本文小结
尽管已使用多年，RS-485凭借良好的共模噪声的抗干扰的能力，适于长距离信号传输，仍广泛应用于工业环境。我们需要根据RS-485面临的复杂的电磁环境，选择合适的EMC解决方案，防范RS-485应用时的EMI风险。
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