在工业环境中保护 RS-485 总线的三种方法？

只看该作者 · 2022-7-24 10:31

在工业环境中的大功率电机、大型继电器、螺线管、执行器和类似设备会产生电磁场，而高压静电放电 (ESD)、快速瞬变和感应耦合浪涌甚至闪电都很常见。以至于像 RS-485 这样传输距离长的串行总线需要大量特殊工具来保持稳定和可靠。

尽管RS-485 的差分信号性质决定了总线的稳定性，但是我们仍然需要采取特殊措施，来保证RS-485总线的稳定。这些措施包括适当考虑屏蔽电缆、瞬态抑制二极管、ESD 和耐浪涌收发器以及信号预加重等措施。本文重点介绍如何使用这些保护解决方案和技术来满足现有的电磁兼容性 (EMC) 标准，并确保在恶劣环境中进行可靠的数据通信。

只看该作者 · 2022-7-24 10:32

工业环境对电子设备的威胁

工业环境中使用的电子设备面临三种主要类型的电磁干扰 (EMI) 威胁：ESD、电快速瞬变 (EFT) 和电涌瞬变。

ESD 通常与人类互动和由摩擦起电效应产生的电荷转移到设备有关。ESD 事件代表最低能量瞬变。
EFT 是继电器触点弹跳或感性负载中断的结果；
瞬态浪涌是雷击、电机负载、热插拔事件或短路等重大中断的结果。浪涌通常会产生最高的能量瞬变。

针对这些EMI威胁，有一系列相关国际标准为设计人员提供标准，这些标准旨在帮助测试工业设备在存在这些 EMC 威胁时的稳健性和可靠性。国际电工委员会 (IEC) 创建并维护了 EMC 的 IEC 61009-4 系列标准。标准是：

IEC 61000-4-2 for ESD immunity
IEC 61000-4-4 for EFT immunity
IEC 61000-4-5 for transient surge immunity

这些标准规定了不同EMI干扰的干扰波形，如下图：

左侧网格显示 10 kV (kV) ESD、4 kV EFT 和 0.5 kV 浪涌的相对功率。右侧网格显示了 0.5 kV 和 6 kV 浪涌的相对功率水平。可以看出，平均功率水平与瞬态脉冲的持续时间以及峰值幅度成正比。如图所示，峰值功率水平随测试的变化从千瓦到兆瓦不等。这些测试波形提供了对干扰信号波形性质的一些了解。设计人员的问题是如何保护 RS-485 设备免受这些类型的电气瞬变的影响。

只看该作者 · 2022-7-24 10:33

保护从布线开始

我们明白，RS-485是差分信号，在双绞线上使用差分信号提供了良好的抗噪性，因为在差分处理中，双绞线中两条线共有的干扰信号被相互减去。
使用屏蔽双绞线电缆可以获得额外的干扰信号保护。
可靠接地的电缆屏蔽层为 EMI 信号提供了返回路径，并防止干扰信号与内部双绞线耦合。

只看该作者 · 2022-7-24 10:36

TVS管

瞬态电压抑制器件属于一类保护元件，包括气体击穿管、金属氧化物压敏电阻 (MOV) 和晶闸管。在施加的电压超过已知的击穿电压时会瞬间导通电流，来达到保护电路的目的。它们反应迅速，提供大约 50 皮秒 (ps) 的响应时间。击穿电压范围为 3 至 400 伏，这些设备可以吸收大量电流。
TVS 二极管是一种雪崩击穿二极管，当施加的电压高于击穿电压 VBR 时开始传导电流（图 3）。

VCLAMP 取决于击穿电压、二极管的动态电阻和通过器件的电流。所示器件是一个单向二极管，仅钳位正电压。也有钳位正负浪涌瞬变的双向器件。
这些设备连接在 RS-485 信号线和地之间，如下图所示。

如图所示，两个双向 TVS 二极管用于保护 TIA/EIA-485 收发器的 A 和 B 信号线。超过钳位电压的瞬态电压会导致二极管击穿并将瞬态电流传导至地以保护收发器。

只看该作者 · 2022-7-24 10:37

带集成浪涌保护的总线收发器

有些厂家的收发器，已经将TVS管集成收发器内部，比如TI的THVD1429DT RS-485 半双工收发器。该收发器提供：
高达 ±16 kV 人体模型 (HBM) ESD 的总线输入/输出保护；
±8 kV IEC 61000-4-2 接触放电；
±30 kV IEC 61000-4-2 气隙放电；
±4 kV IEC 61000-4-4 电气快速瞬变；
±2.5 kV IEC 61000-4-5 1.2/50 μs 浪涌。
它提供高达每秒 20 兆比特 (Mbits/s) 的总线速度，并适合 8 引脚 SOIC 封装。

只看该作者 · 2022-7-24 10:38

信号“预加重”

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预加重是一种在发送端对输入信号高频分量进行补偿的信号处理方式。随着信号速率的增加，信号在传输过程中受损很大，为了在接收终端能得到比较好的信号波形，就需要对受损的信号进行补偿，预加重技术的思想就是在传输线的始端增强信号的高频成分，以补偿高频分量在传输过程中的过大衰减。而预加重对噪声并没有影响，因此有效地提高了输出信噪比。
预加重是一种改善数据速率与距离间关系的技术，可用于RS-485通信。
采用1700英尺电缆，工作在1Mbps固定数据速率，没有预加重驱动器或均衡接收器的RS-485收发器通常具有10%的抖动。
在相同速率下，增加驱动器预加重可使距离加倍，达到3400英尺，而且不会提高抖动。
同样，距离一定时采用预加重能提高数据速率。速率为400kbps，电缆长度为4000英尺时，无预加重的驱动器通常具有10%的抖动。而采用预加重可使该距离下的传输速率提升至800kbps

只看该作者 · 2022-7-25 16:31

实用技能，很不错

只看该作者 · 2022-7-30 11:01

学习了。老师辛苦了

只看该作者 · 2022-8-8 15:00

学习了。老师辛苦了

在工业环境中保护 RS-485 总线的三种方法？

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