常用的RS-485接口电路的EMC电路设计

在实际工业和仪器仪表(I&I)应用中，RS-485接口链路需要在恶劣电磁环境下工作。雷击、静电放电和其他电磁现象引起的大瞬变电压可能损坏通信端口。为了确保这些数据端口能够在最终安装环境中正常 工作，它们必须符合某些电磁兼容性(EMC)法规。大家都知道，EMC 描述的是产品两个方面的性能，即电磁发射/干扰EME和电磁抗扰EMS。EME中又包含传导和辐射;而EMS中又包含静电、脉冲群、浪涌等。本文将从EMS中的浪涌抗扰度的角度出发，分析设计电源的前级电路。抗浪涌的电路分析小功率电源模块中常用的EMC前级原理图，FUSE为保险丝，MOV为压敏电阻，Cx为X电容，LDM为差模电感，Lcm为共模电感，Cy1和Cy2为Y电容，NTC为热敏电阻。其中Y电容、共模电感等的主要作用虽然不是为了改善电路的浪涌抗扰度，但它们却间接地影响了抗浪涌电路的设计。

1 主回路吸收电路与di/dt抑制电路

整流电路在输入侧要接抗雷击过电压或操作过电压吸收电路，这种吸收电路由星形连接的高频、高压电容器(如470p/2Kv)和压敏电阻(如20k/1Kv)组成，具体电路见图1中R1、R2、R3 和C1、C2、C3。逆变器部分在高频开关状态时，产生电压尖脉冲，如果不加以处理将损坏IGBT模块、干扰驱动电路。采用吸收电路可以抑制电压尖脉冲，当前变频器中常用的吸收电路有三种形式，如图2 所示，根据所用开关器件和功率等级来选择使用。

图2 IGBT常用吸收电路

2 控制及驱动电路的电路板EMC设计

现代

a)缩短高频走线布局图 b)数字与模拟电路分开线布局图

图3 两种参考布局图

在整个PCB中，布线过程限定最高、技巧最细、工作量最大，布线不当会产生严重的电磁干扰。以变频器控制电路为例，布线中应遵循如下基本原则：电路板尽量采用四层板;印制导线的布设应尽可能短，拐弯成圆角;印制导线宽度最小不宜小于0.2mm,间距一般可取0.3mm,公共地线应尽可能的粗;布线顺序应遵循先布高频线(如PWM 信号线)、干扰线(如晶振走线), 后布普通线;数字区与模拟区尽可能隔离，并且数字地与模拟地要分离;多层线路板的电源和地线是由不蚀刻的铜箔板形成,这种大的接地平面形成了极低的电源阻抗。因此多层板的优点在于对公共耦合阻抗不太敏感，且提供了屏蔽。下图4给出四层板布线示意图。

图 4 四层板布线实例

3)旁路和去耦

旁路和去耦可防止能量从一个电路传到另一个电路，近而提高配电系统的质量。通过合理布置去耦电容可以为器件提供局部化的DC电源，减少跨板浪涌电流以及进入到电路板的高频能量。通过增加旁路电容产生AC通路来消除无意义能量进入敏感部分，另外还可以提供带宽受限滤波。

图5 去耦电容模型及安装图

上图5 a)给出了去耦电容的实际等效电路，b)给出了正确安装方法(右图)和错误安装方法(左图)的对照。可以得知，去耦电容引线尽可能短才能减小寄生参数、达到很好的去耦效果。

这些要求包括三个主要瞬变抗扰度标准：静电放电、电快速瞬变和电涌。

许多EMC问题并不简单或明显，因此必须在产生设计开始时予以考虑。如果把这些问题留到设计周期后期去解决，可能导致工程预算和计划超限。

1、RS-485标准

工业与仪器仪表(I&I)应用常常需要在距离很远的多个系统之间传输数据。RS-485电气标准是I&I应用中使用最广泛的物理层规范之一，I&I应用包括：工业自动化、过程控制、电机控制和运动控制、远程终端、楼宇自动化(暖通空调HVAC等)、安保系统和再生能源等。

使RS-485成为I&I通信应用理想之选的一些关键特性如下：

长距离链路—最长4000英尺;

可在一对绞线电缆上双向通信;

差分传输可提高共模噪声抗扰度，减少噪声辐射;

可将多个驱动器和接收器连接至同一总线;

宽共模范围(–7 V至+12 V)允许驱动器与接收器之间存在地电位差异;

TIA/EIA-485-A允许数据速率达到数十Mbps。

TIA/EIA-485-A描述RS-485接口的物理层，通常与Profibus、Interbus、Modbus或BACnet等更高层协议配合使用，能够在相对较长的距离内实现稳定的数据传输。

但在实际应用中，雷击、功率感应、直接接触、电源波动、感应开关和静电放电可能产生较大瞬变电压，对RS-485收发器造成损害。设计人员必须确保设备不仅能在理想条件下工作，而且能够在实际可能遇到的恶劣环境下正常工作。为了确保这些设计能够在电气条件恶劣的环境下工作，各个政府机构和监管机构实施了EMC法规。如果设计符合这些法规，可以让最终用户确信它们在恶劣环境下也能正常工作。

2、电磁兼容性

电磁环境由辐射和传导两种能量组成，因此EMC包括两个方面：发射和耐受性。EMC是指电气系统在目标电磁环境下保持良好性能且不会向该环境引入大量电磁干扰的能力。本文讨论如何提高RS-485端口的EMC耐受性以防范三种主要EMC瞬变。

国际电工委员会(IEC)是致力于制定和发布所有电气、电子和相关技术国际标准的全球领先组织。自1996年以来，向欧盟出售或在欧盟范围内出售的所有电子设备都必须达到IEC 61000-4-x规范定义的EMC级别。

TheIEC 61000规范定义了一组EMC抗扰度要求，适用于在住宅、商业和轻工业环境中使用的电气和电子设备。这组规范包括以下三类高电压瞬变，电子设计人员必须确保数据通信线路不受它们损害：

IEC 61000-4-2静电放电(ESD);

IEC 61000-4-4电快速瞬变(EFT);

IEC 61000-4-5电涌耐受性。

所有这些规范都定义了测试方法，用以评估电子和电气设备对指定现象的耐受性。下面概要说明各种测试。

2.1、静电放电测试

ESD是指静电荷在不同电位的实体之间的突然传输，由靠近接触或电场感应引起。其特征是在短时间内产生高电流。IEC 61000-4-2测试的主要目的是确定系统在工作过程中对系统外部ESD事件的抗扰度。

测试期间，数据端口须经受至少10次正极放电和10次负极放电，脉冲之间间隔1秒。测试电压的选择取决于系统端环境。规定的最高测试为4级，要求接触放电电压为±8 kV，空气放电电压为±15 kV。 图1显示了规范所述的8 kV接触放电电流波形。一些关键波形参数包括小于1 ns的上升时间和大约60 ns的脉冲宽度。这说明脉冲总能量约为数十mJ。

原理图

NO.1

1.RS485接口6KV防雷电路设计方案

图1 RS485接口防雷电路

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：

L1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120Ω/100MHz ~2200Ω/100MHz，典型值选取1000Ω/100MHz;

C1、C2为滤波电容，给干扰提供低阻抗的回流路径，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~1000pF，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1000pF， 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10Ω/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1000pF电容相连;

如果设备为非金属外壳，那么接口地PGND与单板数字地GND直接电气连接。

PCB设计

NO.2

1.RS485接口电路布局

图1 RS485接口滤波及防护电路布局

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. RS485接口电路分地设计

EMC电路的定义和作用

EMC(Electromagnetic Compatibility)是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。EMC包括两个主要方面：EMI(Electromagnetic Interference，电磁干扰)和EMS(Electromagnetic Susceptibility，电磁敏感性)。

EMC电路的工作原理

‌滤波器的工作原理‌：EMC滤波器主要用于滤除传导干扰，抑制和衰减外界产生的噪声信号，保护设备不受干扰。滤波器实质上是一个选频电路，允许某一部分频率的信号通过，而抑制其他无用频率的信号。常见的低通滤波器允许低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰噪声。

‌屏蔽的工作原理‌：辐射干扰主要通过屏蔽手段加以滤除。屏蔽材料可以有效减少电磁波的辐射和传导，从而降低设备对外界的干扰。

EMC电路的应用领域

EMC电路广泛应用于各种电子设备中，以确保设备在电磁环境中正常工作，不会对其他设备造成干扰，同时也能抵抗外界的电磁干扰。例如：‌电源线滤波器‌：用于保护设备免受电源线上的电磁干扰。‌射频干扰滤波器‌：用于减少无线电频率设备对其他电子设备的干扰。‌屏蔽盒‌：用于包裹电子设备，防止电磁波外泄或进入，保护设备免受外界干扰。通过这些措施，EMC电路确保了电子设备的稳定运行，提高了设备的可靠性和安全性。

IEC 61000-4-2描述了两种耦合测试方法，即所谓接触放电和空气放电。接触放电要求放电枪与受测单元直接接触。在空气放电测试期间，放电枪的充电电极朝向受测单元移动，直到气隙上发生电弧放电。放电枪不与受测单元直接接触。空气放电测试的结果和可重复性会受到多种因素的影响，包括湿度、温度、气压、距离和放电枪逼近受测单元的速率。这种方法能够更好地反映实际ESD事件，但可重复性较差。因此，接触放电是首选测试方法。