RS485接口EMC电路设计方案.docx

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1、一、原理图1.RS485接口6KV防雷电路设计方案接口电路设计概述：RS485用于设备与计算机或其它设备之间通讯，在产品应用中其走线多与电源、功率信号等混合在一起，存在EMC隐患。本方案从EMC原理上，进行了相关的抑制干扰和抗敏感度的设计，从设计层次解决EMC问题。2.电路EMC设计说明：(1)电路滤波设计要点：1.l为共模电感，共模电感能够对衰减共模干扰，对单板内部的干扰以及外部的干扰都能抑制，能提高产品的抗干扰能力，同时也能减小通过429信号线对外的辐射，共模电感阻抗选择范围为120Ql00MHz2200C100MHz,典型值选取1000100MHz；CKC2为滤波电容，给干扰提供低阻抗的

2、回流路径，能有效减小对外的共模电流以同时对外界干扰能够滤波；电容容值选取范围为22PF-100OpF,典型值选取100PF；若信号线对金属外壳有绝缘耐压要求，那么差分线对地的两个滤波电容需要考虑耐压；当电路上有多个节点时要考虑降低或去掉滤波电容的值。C3为接口地和数字地之间的跨接电容，典型取值为100OPF,C3容值可根据测试情况进行调整；(2)电路防雷设计要点：为了达到IEC61000-4-5或GB17626.5标准,共模6KV,差模2KV的防雷测试要求，D4为三端气体放电管组成第一级防护电路，用于抑制线路上的共模以及差模浪涌干扰，防止干扰通过信号线影响下一级电路；气体放电管标称电压VBRW

3、要求大于13V,峰值电流IPP要求大于等于143A；峰值功率WPP要求大于等于1859W；PTC1、PTC2为热敏电阻组成第二级防护电路，典型取值为10Q/2W；为保证气体放电管能顺利的导通，泄放大能量必须增加此电阻进行分压，确保大部分能量通过气体放电管走掉；D1-D3为TSS管(半导体放电管)组成第三级防护电路，TSS管标称电压VBRW要求大于8V,峰值电流IPP要求大于等于143A；峰值功率WPP要求大于等于1144W；3.接口电路设计备注：如果设备为金属外壳，同时单板可以独立的划分出接口地，那么金属外壳与接口地直接电气连接，且单板地与接口地通过100OPF电容相连；如果设备为非金属外壳，

4、那么接口地PGND与单板数字地GND直接电气连接。二.PCB设计1 .RS485接口电路布局接口地数字地C3-NrTe-两地之间的跨接电容旅近接口端UX放按齐竣凑的防护及滤波器件图1RS485接口滤波及防护电路布局口-JlPTC2PTClTCcM5(ES3gi)ssGDT1外壳地与数字地通过阴容相连方案特点：(1)防护器件及滤波器件要靠近接口位置处摆放且要求摆放紧凑整齐，按照先防护后滤波的规则，走线时要尽量避免走线曲折的情况；(2)共模电感与跨接电容要置于隔离带中。方案分析：(1)接口及接口滤波防护电路周边不能走线且不能放置高速或敏感的器件；(2)隔离带下面投影层要做掏空处理，禁止走线。2 .

5、RS485接口电路分地设计靠近接口端FuX放按齐紧凑的防护及滤波器件外壳地与数字地通过阳容相连数字地方案特点：(1)为了抑制内部单板噪声通过RS485接口向外传导辐射，也为了增强单板对外部干扰的抗扰能力，在RS485接口处增加滤波器件进行抑制，以滤波器件位置大小为界，划分出接口地；(2)隔离带中可以选择性的增加电容作为两者地之间的连接，电容C4、C5取值建议为100OpF,信号线上串联共模电感CM与电容滤波，并与接口地并联GDT和TVS管进行防护；且所有防护器件都靠近接口放置，共模电感CM置于隔离带内，具体布局如图示。方案分析：(1)当接口与单板存在相容性较差或不相容的电路时，需要在接口与单板

6、之间进行“分地”处理，即根据不同的端口电压、电平信号和传输速率来分别设置地线。“分地”，可以防止不相容电路的回流信号的叠加，防止公共地线阻抗耦合；(2) “分地”现象会导致回流信号跨越隔离带时阻抗变大，从而引起极大的EMC风险,因此在隔离带间通过电容来给信号提供回流路径。RS485接口的EMC方案分析及总结提起RS485接口，很多工程师都不会陌生，它是一种常见的差分信号传输接口，被广泛应用于工业自动化、数据通信、智能楼宇等领域。虽然它的功能很强大，但它有很严重的EMI问题，容易出现数据传输错误、设备损坏等，所以如何做好RS485接口的EMC方案？1、RS485接口有哪些EMI问题？干扰来源：R

7、S485接口的干扰来源主要是外部电磁场、雷电、电网波动等。这些干扰会通过接口耦合进入系统，导致数据传输错误。传输特性：RS485接口采用差分信号传输方式，具有较高的共模抑制比，但同时也存在着传输距离、速率、线缆特性等限制。这些限制会使得接口在传输过程中容易受到干扰，导致性能下降。2、RS485接口的EMC方案如何做？为了提高RS485接口的电磁兼容性，可从硬件、软件和工艺等方面采取以下措施：硬件方面a.选择合适的传输线：选择低阻抗、高绝缘的传输线，如双绞线、光纤等，可以有效减小干扰的影响。b.增加共模扼流圈：在接口的信号线上增加共模扼流圈，可以抑制外部电磁干扰，提高信号质量。c.优化接口电路：

8、优化接口电路设计，采用低噪声、去耦电容等措施，可以进一步减小干扰的影响。软件方面a.应用数字滤波技术：在数据传输过程中应用数字滤波技术，可以有效减小干扰对数据的影响，提高数据传输的准确性。b.实现CRC校验：实现循环冗余校验(CRC)可以有效检测出数据传输过程中的错误,保证数据的完整性。c.调整波特率：适当调整接口的波特率，可以减小数据传输过程中的误码率，提高数据传输的可靠性。工艺方面a.保持走线规范：在布线过程中，应尽量减小走线的长度和弯曲半径，避免信号线之间的交叉和干扰。b.加装防雷器件：在接口电路中加装防雷器件，可以避免雷电对接口的影响，提高系统的可靠性。c.做好接地措施：做好系统的接地

9、措施，可以将干扰引入大地，减小干扰对系统的影响。附参考资料：RS232、RS422和RS485接口的EMC设计串口一般有TT1.电平、RS232电平、RS485电平和RS422电平，在很多情况下TT1.电平不作为设备外接使用，一般用于板内两模块直接通讯，而RS232、RS485和RS422一般用于设备外部通讯。常用设备一般采用的是RS422或者RS485,因为它们属于差分信号，抗干扰能力更强。一、RS-422与RS-485的接地问题RS-422与RS-485传输网络的接地也是很重要的，因为接地系统不合理会影响整个网络的稳定性,尤其是在工作环境比较恶劣和传输距离较远的情况下,对于接地的要求更为严

10、格,否则接口损坏率较高。很多情况下，连接RS-422、RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的A、B端连接起来；而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患。原因有二：（I）共模干扰问题：RS422与RS-485接口均采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，如RS-422共模电压范围为-7+7V,而RS-485收发器共模电压范围为-7+12V,只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚

11、至损坏接口。（2）EMI问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。尽管RS422RS-485采用差分平衡传输方式，但对整个RS-422或RS-485网络，必须有一条低阻的信号地。一条低阻的信号地将两个接口的工作地连接起来，使共模干扰电压VGPD被短路。这条信号地可以是额外的一条线（非屏蔽双绞线），或者是屏蔽双绞线的屏蔽层。这是最通常的接地方法。值得注意的是，这种做法仅对高阻型共模干扰有效，由于干扰源内阻大，短接后不会形成很大的接地环路电流，对于通信不会有很大影响。当共模干扰源内

12、阻较低时，会在接地线上形成较大的环路电流，影响正常通信。可以采取以下三种措施：a.如果干扰源内阻不是非常小，可以在接地线上加限流电阻以限制干扰电流。接地电阻的增加可能会使共模电压升高，但只要控制在适当的范围内就不会影响正常通信。b.采用浮地技术，隔断接地环路。这是较常用也是十分有效的一种方法，当共模干扰内阻很小时上述方法已不能奏效，此时可以考虑将引入干扰的节点（例如处于恶劣的工作环境的现场设备）浮置起来（也就是系统的电路地与机壳或大地隔离），这样就隔断了接地环路，不会形成很大的环路电流。c.采用隔离接口。有些情况下，出于安全或其它方面的考虑，电路地必须与机壳或大地相连，不能悬浮，这时可以采用隔

13、离接口来隔断接地回路，但是仍然应该有一条地线将隔离侧的公共端与其它接口的工作地相连。二、RS-422与RS-485的网络失效保护RS-422与RS-485标准都规定了接收器门限为200mV.这样规定能够提供比较高的噪声抑制能力。但由于第三态的存在，即在主机在发端发完一个信息数据后，将总线置于第三态,即总线空闲时没有任何信号驱动总线,使AB之间的电压在-200+20OmV直至趋于OV,这带来了一个问题：接收器输出状态不确定。如果接收机的输出为OV,网络中从机将把其解释为一个新的启动位，并试图读取后续字节，由于永远不会有停止位，产生一个帧错误结果，不再有设备请求总线，网络陷于瘫痪状态。除上述所述的

14、总线空闲会造成两线电压差低于20OmV的情况外，开路或短路时也会出现这种情况。故应采取一定的措施避免接收器处于不确定状态。通常是在总线上加偏置，当总线空闲或开路时，利用偏置电阻将总线偏置在一个确定的状态（差分电压2-20OmV）。将A上拉到5V,B下拉到地，电阻的典型值是IkQ,具体数值随电缆的电容变化而变化。上述方法是比较经典的方法，但它仍然不能解决总线短路时的问题，有些厂家将接收门限移到-200mV-50mV,可解决这个问题。例如MaXim公司的MAX3O8O系列RS-485接口，不仅省去了外部偏置电阻，而且解决了总线短路情况下的失效保护问题。+5VRS485设备ARS485.KD120Q

15、SU-485GD-In三、RS-422与RS-485的瞬态保护前文提到的信号接地措施，只对低频率的共模干扰有保护作用，对于频率很高的瞬态干扰就无能为力了。由于传输线对高频信号而言就是相当于电感，因此对于高频瞬态干扰，接地线实际等同于开路。这样的瞬态干扰虽然持续时间短暂，但可能会有成百上千伏的电压。实际应用环境下还是存在高频瞬态干扰的可能。一般在切换大功率感性负载如电机、变压器、继电器等或闪电过程中都会产生幅度很高的瞬态干扰，如果不加以适当防护就会损坏RS-422或RS-485通信接口。对于这种瞬态干扰可以采用隔离或旁路的方法加以防护。（1）隔离保护方法。这种方案实际上将瞬态高压转移到隔离接口中的电隔离层上，由于隔离层的高绝缘电阻，不会产生损害性的浪涌电流，起到保护接口的作用。通常采用高频变压器、光耦等元件实现接口的电气隔离，已有器件厂商将所有这些元件集成在一片IC中，使用起来非常简便，如MaXim公司的MAX1480/MAXl490,隔离电压可达2500V。这种方案的优点是可以承受高电压、持续时间较长的瞬态干扰，实现起来也比较容易，缺点是成本较高。（2）旁路保护方法。这种方案利用瞬态抑制元件（如TVS、MOV、气体放电管等）将危害性的瞬态能量旁路到大地，优点是成本较低，缺点是保护能力有限，只能保护一定能量以内的瞬态干扰，持续时间不能很长，而且需要有一条良好