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三個實用方案讓RS-485接口遠離EMI風險

發布時間：2019-05-05 責任編輯：xueqi

【導讀】RS-485接口往往需要工作在惡劣的電磁環境下，還要求實現長距離數據傳輸（可以達到1200米）、高速（可以達到幾十Mbps）。那麼在設計方麵需要注意一些什麼呢？本文主要介紹RS-485的工作模式，以及RS-485可能麵對的EMI電磁幹擾以及對應的解決方案。

詳解RS-485工作原理

以差分傳輸來應對共模幹擾

當RS-485芯片接受到差分電壓大於200mV時，RO腳輸出低電平，而本身DI可以輸出1.5V的差分電壓。因此有足夠的餘量來支持長距離傳輸以及各種環境噪聲的幹擾。

圖1：RS-485芯片工作原理

為了消除在通信電纜中的信號反射，一般使用雙絞線來避免幹擾。對於比較長的連接，一般的做法是在RS-485總線的開始和末端都並接終端電阻，因為大多數雙絞線電纜特性阻抗大約在120Ω左右。

RS-485的工作模式

以ADI的ADM3061EARZ為例，半工RS-485連接支持多個接收器和發射器在同一個信號回路上，但是要保證每次隻有一個發射器工作。這個可以通過控製RE（收器使能）、DE（發射器使能引腳）來實現。半工RS-485可以雙向數據傳輸，但是每一個時間節點上隻能一個方向傳輸信號。

圖2：RS-485收發器的工作模式

了解更多RS485收發器信息，請點擊Digi-Key RS485收發器。

RS-485如何連接

為了避免信號反射，在多個RS-485連接時，支路長度（StubLength）越短越好。同時要避免其他類型的連接，比如星型連接。

注：理論上支路長度應該小於1/4波長（傳輸頻率對應的波長），實際應用上越小越好。

圖3：RS-485的正確連接

最大可以接多少個節點由RS-485接收器的輸入阻抗來決定，標準RS-485接收器輸入阻抗大於12K歐姆，最多可以驅動32個負載。輸入電阻越大，驅動的負載越多。比如ADM3061EARZ輸入阻抗48K歐姆，最多可以驅動128個負載。

圖4：RS-485接收器的輸入阻抗和負載數量

RS-485麵臨的EMC電磁幹擾風險

對於RS-485的EMC電磁幹擾需要考慮下麵三種情況的靜電防護：

“靜電”防護ESD：

幹擾成因：靜電引起的幹擾

幹擾路徑：手指觸碰

對應標準：IEC 61000-4-2

典型幹擾波形：接觸放電±8 kV ，ESD脈衝4mJ ，ESD波形(接觸放電8kV)

圖5：靜電幹擾典型幹擾波形

“電快速瞬變脈衝群” 防護EFT

幹擾成因：快速開關引起的幹擾，比如：切斷感性負載、繼電器觸點彈跳等

幹擾路徑：高頻噪聲通過各種路徑耦合到通信端口

對應標準：IEC 61000-4-4

典型幹擾波形：端口電壓2kV，單個EFT脈衝能量4mJ ，EFT 50Ω負載波形2kV

圖6：電快速瞬變脈衝群典型幹擾波形

“浪湧”防護Surge

幹擾成因：開關或雷電瞬變引起的幹擾

幹擾路徑：各種路徑耦合到通信端口

對應標準：IEC 61000-4-5

典型幹擾波形：浪湧脈衝能量可以達到90J，浪湧1.2/50µs波形

圖7：浪湧電壓典型幹擾波形

RS485的EMC電磁幹擾解決方案

TVS管保護

如何連接：TVS管連接需要保護的線路與地，提供過壓保護。

如何工作：當產生大於TVS的擊穿電壓的瞬態電壓時，TVS電阻變小，能量從TVS管流到地（<1 ns）。在瞬態事件後，TVS管自動複位至低阻抗狀態，允許係統恢複正常工作

圖8：TVS保護電路

TVS管非對稱擊穿電壓：RS485芯片需要保障在+12V至–7V的收發器共模範圍。因此對於TVS管的要求也是非對稱擊穿電壓。比如CDSOT23-SM712獨有特性是具有+13.3V和–7.5V的非對稱擊穿電壓。

如果需要了解更多非對稱TVS管信息，請點擊Digi-Key 非對稱TVS管選擇，可以根據參數選型，選擇「12V(最大), 7V(最小)」項，查找針對RS485設計的TVS管。

圖9：選擇針對RS485設計的TVS

TVS管對於EFT和ESD有著比較好保護。而浪湧的能量平均高出ESD和EFT三到四個數量級，但是TVS管可能不一定能很好的瓦解浪湧的能量，這時則需要更複雜的保護方案。

瞬態閉鎖單元(TBU)

如何連接：TBU串聯在需要保護的線路中，提供過流保護，與TVS管配合使用。

如何工作：當發生過流，TVS由於瞬態電壓工作在擊穿狀態，TBU阻值變大，電流將升至預設的限流水平。此時，TBU會在不足1µs時間內將受保護電路與浪湧斷開，隻有極小的電流通過受保護電路 (<1mA)。在瞬態事件後，TBU自動複位至低阻抗狀態，允許係統恢複正常工作。典型的TBU，比如Bourns 的TBU-CA065-200-WH。

圖10：TBU保護電路

浪湧抑製專用芯片

一個器件提供的保護往往有限，所以對於高要求的應用，往往需要多種器件聯合使用。

你可以訪問Digi-Key浪湧抑製IC，選擇相關的器件。Digi-Key網站提供豐富的參數選項供選擇，下圖中「外部開關」指的是器件外部需要另加開關（比如MOS管），而該芯片一般是起到控製作用。而「內部開關」指的是保護電路的開關在芯片的內部。

圖11：浪湧抑製專用芯片選型參數

本文小結

盡管已使用多年，RS-485憑借良好的共模噪聲的抗幹擾的能力，適於長距離信號傳輸，仍廣泛應用於工業環境。

來源：得捷電子作者：Alan Yang

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