原來全是套路！三個經典的RS-485端口EMC防護方案詳解（上）

在實際的工業、電力、自動化及儀器儀表應用中，RS-485總線標準是使用最廣泛的物理層總線設計標準之一，由于其會在惡劣電磁環境下工作，為了確保這些數據端口能夠在最終安裝環境中正常工作，它們必須符合相關的電磁兼容性(EMC)法規。在本文中，世健公司結合優勢的代理線ADI( RS-485芯片)、Bourns(在端口EMC防護方面的器件)，從原理分析到實測來為大家帶來詳細的RS485的端口防護分析。

在RS-485端口的EMC設計中，我們需要重點考慮三個因素：靜電放電(ESD)、電快速瞬變(EFT)和浪涌(Surge)。 國際電工委員會(IEC)規范定義了一組EMC抗擾度要求，這組規范包括以下三種類型的高電壓瞬變，設計人員需要確保數據通信線路不受這些瞬變的損害。這三種類型分別是:

n IEC 61000-4-2靜電放電(ESD)

n IEC 61000-4-4電快速瞬變(EFT)

n IEC 61000-4-5浪涌抗擾度(Surge)

Excelpoint世健公司技術支持部副總監Angus Zhao說：“RS-485端口的保護方案就是要設法去滿足ESD、EFT、Surge這三種規范的要求。所以想要設計出合規的RS-485端口EMC方案，首先就要透徹了解這三個規范。”國內針對IEC標準也有同樣的等同標準可以參考，比如在電力及輸配電應用中，很多采用了GB/T17626.2 ESD, GB/T17626.4 EFT, GB/T17626.5 Surge的對應標準規范，本文以IEC標準為例說明。

靜電放電

靜電放電(ESD)是指兩個電位不同的帶電體之間因為近接觸或電場的傳導而突然產生靜電電荷的傳輸。其特性是在較短的時間內有較大的電流。IEC 61000-4-2測試的主要目，就是確定系統在工作過程中對系統外部ESD事件的抗擾度。IEC 61000-4-2規定了不同環境狀況下的電壓測試級別，共分4個級別。1級最輕微，4級最嚴重。1級和2級適合擁有防靜電材料的受控環境中安裝的產品。3級和4級適合情況更嚴重的環境中安裝的產品，這類環境下更常發生帶有較高電壓的ESD事件。

圖1:ESD 特性曲線

圖2:IEC 61000-4-2 ESD測試級別和安裝類別

電快速瞬變(脈沖群)

電快速瞬變(EFT)測試的是，將大量極快的瞬變脈沖耦合到信號線上，系統與外部開關電路關聯的瞬變干擾，這類電路能夠以容性方式耦合至通信端口。EFT的纏上包括繼電器和開關觸點抖動，或者因為感性或容性負載切換而產生的瞬變，而所有這些在工業環境中都很常見。EC 61000-4-4中定義的 EFT測試，就是去模擬這些事件產生的干擾。

圖3：EFT特性曲線

IEC 61000-4-4規定了不同環境狀況下的電壓測試級別，分為4級。同時規定了不同測試級別對應的測試電壓和脈沖重復速率。

• 1級表示保護措施很好的環境

• 2級表示受保護的環境

• 3級表示典型的工業環境

• 4級表示惡劣的工業環境

圖4：IEC 61000-4-4 EFT 測試級別

浪涌(Surge)

浪涌通常由開關操作造成的過壓情況或雷擊造成。開關瞬變的起因可能是電力系統切換、配電系統中的負載變化或各種系統故障。雷擊瞬變的起因可能是附近的雷擊導致向電路中注入了較大的電流和電壓。IEC 61000-4-5定義了在容易受到這些浪涌現象影響的情況下用于評估電子電氣設備抗擾度的波形、測試方法和測試級別。

圖5：Surge特性曲線

浪涌的能量級別可以達到ESD或EFT脈沖能量級別的三到四個數量級。因此，浪涌可以視作是EMC瞬變規范中最嚴重的一種。由于ESD和EFT之間的相似性，相應的電路保護設計也很相似，但是由于浪涌的能量大，因此必須采取不同的處理方式。

Excelpoint世健公司技術支持部副總監Angus Zhao說：“開發EMC保護電路的過程，就是要根據實際應用的場景，達到相應的上述三種瞬變的抗擾度的規范要求，同時又要保證成本效益。這看似復雜的工作，實際上有它自己的原則和套路可循。”

世健公司將在下一期的文章中做更詳細的介紹。