在實(shí)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(gè)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(jì)電源的前級(jí)電路。抗浪涌的電路分析小功率電源模塊中常用的EMC前級(jí)原理圖，F(xiàn)USE為保險(xiǎn)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(jì)。

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(guò)電壓或操作過(guò)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(jiàn)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(shí)，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(dòng)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(jí)來(lái)選擇使用。

圖2 IGBT常用吸收電路

2 控制及驅(qū)動(dòng)電路的電路板EMC設(shè)計(jì)

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(gè)PCB中，布線過(guò)程限定最高、技巧最細(xì)、工作量最大，布線不當(dāng)會(huì)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(hào)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(diǎn)在于對(duì)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(shí)例

3)旁路和去耦

旁路和去耦可防止能量從一個(gè)電路傳到另一個(gè)電路，近而提高配電系統(tǒng)的質(zhì)量。通過(guò)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(jìn)入到電路板的高頻能量。通過(guò)增加旁路電容產(chǎn)生AC通路來(lái)消除無(wú)意義能量進(jìn)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(shí)際等效電路，b)給出了正確安裝方法(右圖)和錯(cuò)誤安裝方法(左圖)的對(duì)照?？梢缘弥?，去耦電容引線盡可能短才能減小寄生參數(shù)、達(dá)到很好的去耦效果。

這些要求包括三個(gè)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(wèn)題并不簡(jiǎn)單或明顯，因此必須在產(chǎn)生設(shè)計(jì)開始時(shí)予以考慮。如果把這些問(wèn)題留到設(shè)計(jì)周期后期去解決，可能導(dǎo)致工程預(yù)算和計(jì)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(gè)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(dòng)化、過(guò)程控制、電機(jī)控制和運(yùn)動(dòng)控制、遠(yuǎn)程終端、樓宇自動(dòng)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(zhǎng)距離鏈路—最長(zhǎng)4000英尺;

可在一對(duì)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(gè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dá)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(duì)較長(zhǎng)的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。

但在實(shí)際應(yīng)用中，雷擊、功率感應(yīng)、直接接觸、電源波動(dòng)、感應(yīng)開關(guān)和靜電放電可能產(chǎn)生較大瞬變電壓，對(duì)RS-485收發(fā)器造成損害。設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)能夠在電氣條件惡劣的環(huán)境下工作，各個(gè)政府機(jī)構(gòu)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)實(shí)施了EMC法規(guī)。如果設(shè)計(jì)符合這些法規(guī)，可以讓最終用戶確信它們?cè)趷毫迎h(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(gè)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(huì)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(guó)際電工委員會(huì)(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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的全球領(lǐng)先組織。自1996年以來(lái)，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(dá)到IEC 61000-4-x規(guī)范定義的EMC級(jí)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(jì)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(cè)試方法，用以評(píng)估電子和電氣設(shè)備對(duì)指定現(xiàn)象的耐受性。下面概要說(shuō)明各種測(cè)試。

2.1、靜電放電測(cè)試

ESD是指靜電荷在不同電位的實(shí)體之間的突然傳輸，由靠近接觸或電場(chǎng)感應(yīng)引起。其特征是在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高電流。IEC 61000-4-2測(cè)試的主要目的是確定系統(tǒng)在工作過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)外部ESD事件的抗擾度。

測(cè)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(cè)試電壓的選擇取決于系統(tǒng)端環(huán)境。規(guī)定的最高測(cè)試為4級(jí)，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(shí)間和大約60 ns的脈沖寬度。這說(shuō)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(jì)方案

圖1 RS485接口防雷電路

接口電路設(shè)計(jì)概述：

RS485用于設(shè)備與計(jì)算機(jī)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(hào)等混合在一起，存在EMC隱患。

本方案從EMC原理上，進(jìn)行了相關(guān)的抑制干擾和抗敏感度的設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)層次解決EMC問(wèn)題。

2.電路EMC設(shè)計(jì)說(shuō)明：

(1) 電路濾波設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

L1為共模電感，共模電感能夠?qū)λp共模干擾，對(duì)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(shí)也能減小通過(guò)429信號(hào)線對(duì)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(duì)外的共模電流以同時(shí)對(duì)外界干擾能夠?yàn)V波;電容容值選取范圍為22PF~1000pF，典型值選取100pF;若信號(hào)線對(duì)金屬外殼有絕緣耐壓要求，那么差分線對(duì)地的兩個(gè)濾波電容需要考慮耐壓;

當(dāng)電路上有多個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)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(cè)試情況進(jìn)行調(diào)整;

(2) 電路防雷設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

為了達(dá)到IEC61000-4-5或GB17626.5標(biāo)準(zhǔn)，共模6KV，差模2KV的防雷測(cè)試要求，D4為三端氣體放電管組成第一級(jí)防護(hù)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(guò)信號(hào)線影響下一級(jí)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(jí)防護(hù)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(jìn)行分壓，確保大部分能量通過(guò)氣體放電管走掉;

D1~D3為TSS管(半導(dǎo)體放電管)組成第三級(jí)防護(hù)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(jì)備注：

如果設(shè)備為金屬外殼，同時(shí)單板可以獨(dú)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(guò)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(jì)

NO.2

1.RS485接口電路布局

圖1 RS485接口濾波及防護(hù)電路布局

方案特點(diǎn)：

(1)防護(hù)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(hù)后濾波的規(guī)則，走線時(shí)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(hù)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(jì)

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(duì)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(gè)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(hào)，保護(hù)設(shè)備不受干擾。濾波器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)選頻電路，允許某一部分頻率的信號(hào)通過(guò)，而抑制其他無(wú)用頻率的信號(hào)。常見(jiàn)的低通濾波器允許低頻或直流分量通過(guò)，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(guò)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(duì)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(huì)對(duì)其他設(shè)備造成干擾，同時(shí)也能抵抗外界的電磁干擾。例如：?電源線濾波器?：用于保護(hù)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(wú)線電頻率設(shè)備對(duì)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(jìn)入，保護(hù)設(shè)備免受外界干擾。通過(guò)這些措施，EMC電路確保了電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)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(cè)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(cè)單元直接接觸。在空氣放電測(cè)試期間，放電槍的充電電極朝向受測(cè)單元移動(dòng)，直到氣隙上發(fā)生電弧放電。放電槍不與受測(cè)單元直接接觸?？諝夥烹姕y(cè)試的結(jié)果和可重復(fù)性會(huì)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(cè)單元的速率。這種方法能夠更好地反映實(shí)際ESD事件，但可重復(fù)性較差。因此，接觸放電是首選測(cè)試方法。