如何提高RS-485電快速脈沖群騷擾抗擾能力

RS-485總線是具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通信距離遠(yuǎn)、通信速度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)通訊、電力監(jiān)控以及儀器儀表等行業(yè)。由于工業(yè)控制環(huán)境較為惡劣，會(huì)有比較多的干擾耦合在通信線中，影響RS-485總線的可靠性，甚至損壞RS-485收發(fā)器芯片，其中脈沖群騷擾就是比較常見的一種。我們通常使用電快速脈沖群(EFT)抗擾度試驗(yàn)來模擬這種騷擾，驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性。

1、脈沖群騷擾的來源
在工業(yè)控制環(huán)境中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)雷電、短路、開關(guān)動(dòng)作等具有電感負(fù)載的動(dòng)作而產(chǎn)生的瞬時(shí)干擾，這些干擾是一些短暫的高能量的脈沖騷擾，具有脈沖成群出現(xiàn)、脈沖的上升時(shí)間比較短暫、脈沖的重復(fù)頻率較高等特點(diǎn)。這些干擾會(huì)耦合到RS-485總線上，由于這些脈沖不是單個(gè)脈沖，而是一連串的脈沖，因此會(huì)在RS-485總線上產(chǎn)生積累，使騷擾的電壓幅值超過RS-485收發(fā)器的噪聲容限，引起通信錯(cuò)誤。同時(shí)由于這些脈沖騷擾的周期較短，每個(gè)脈沖的出現(xiàn)的間隔時(shí)間較短，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖騷擾還未消失時(shí)，第二個(gè)脈沖就緊跟而來，對(duì)于RS-485總線上的寄生電容和RS-485收發(fā)器的結(jié)電容來說，在還沒有放電完就又開始充電，并且通常寄生電容較小，較小的能量就可以達(dá)到較高的電壓，容易損壞RS-485收發(fā)器，影響RS-485總線通信可靠性。

2、脈沖群騷擾產(chǎn)生原理
脈沖群騷擾源的電壓大小取決于負(fù)載電路的電感、負(fù)載斷開的速度等因素。以開關(guān)動(dòng)作為例，由于開關(guān)打開瞬間動(dòng)靜觸頭之間的距離比較近，電路中的電感感應(yīng)出來的反電動(dòng)勢(shì)足以將觸頭間的空氣間隙擊穿，電路開始導(dǎo)通，但這一放電過程的時(shí)間非常短暫，此時(shí)電路將產(chǎn)生一個(gè)前沿脈沖為ns級(jí)，寬度達(dá)到幾十ns級(jí)，幅度幾千伏以上的高壓小脈沖。當(dāng)上述脈沖結(jié)束后，電路開始重復(fù)電感性負(fù)載產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)和通過開關(guān)動(dòng)靜觸頭間的空氣間隙放電的過程。這一過程將一直進(jìn)行，直到貯存在電感性能負(fù)載中的能量足夠低，再也產(chǎn)生不了上述放電過程為止。這些干擾會(huì)耦合到RS-485總線上，形成較大的干擾，影響通信的可靠性。

3、提高電快速脈沖群抗擾能力的措施
電快速脈沖群抗擾是共模干擾，可以采用濾波、吸收或者隔離的方式進(jìn)行抑制。

lRS-485總線隔離
例如致遠(yuǎn)電子的隔離RS-485收發(fā)模塊RSM485PHT（自動(dòng)收發(fā)）、RSM485PCHT、RSM485PCT以及RSM485ECHT等，模塊集成了信號(hào)隔離和電源隔離功能于一身，在不加外部保護(hù)電路的情況下，可以達(dá)到IEC 61000-4-4 ±2kV（B等級(jí)，RS-485端口浮地情況下進(jìn)行測(cè)試），如果需要更高的等級(jí)可以根據(jù)實(shí)際情況再增加以下保護(hù)措施。如圖 1所示為RSM3485PHT隔離收發(fā)模塊進(jìn)行EFT測(cè)試圖，模塊外部未增加保護(hù)電路，即可通過IEC 61000-4-4 ±2kV（B等級(jí))。

圖 1  RSM3485PHT模塊EFT測(cè)試圖

l增加鐵氧體磁環(huán)吸收干擾
在設(shè)備入口端增加鐵氧體磁環(huán)可有效吸收干擾，同時(shí)增加通信線在鐵氧體磁環(huán)中的匝數(shù)可以增加干擾的吸收效果，如圖 2所示，在待測(cè)設(shè)備RS-485接口附近增加鐵氧體磁環(huán)。

圖 2  通信線增加鐵氧體磁環(huán)
 

l使用屏蔽雙絞線
如圖所示，在實(shí)際應(yīng)用中，RS-485通信線可以使用屏蔽雙絞線，并且屏蔽層單點(diǎn)接大地，可以有效抑制電快速脈沖群騷擾耦合到通信線上。

圖 3  使用屏蔽雙絞線

l增加RS-485總線對(duì)地TVS
當(dāng)在A對(duì)大地、B對(duì)大地之間增加TVS管，耦合到RS-485總線上的電快速脈沖群騷擾電壓幅值較高時(shí)，干擾電壓會(huì)被TVS鉗位，達(dá)到保護(hù)RS-485收發(fā)器的目的。

lRS-485總線串聯(lián)磁珠
由于磁珠在高頻時(shí)相當(dāng)于電阻，會(huì)將高頻能量轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，因此在RS-485總線上串聯(lián)磁珠，在電快速脈沖群信號(hào)耦合到RS-485總線上時(shí)，電快速脈沖群騷擾的能量會(huì)被磁珠消耗掉，提高RS-485總線的抗干擾能力。

4、提高EFT抗擾度等級(jí)的實(shí)例
如圖 4所示的電路，兩個(gè)RSM3485PHT模塊AB接口分別串聯(lián)了磁珠，能夠達(dá)到IEC 61000-4-4 ±4kV，并能夠有效降低通信誤碼率，僅在電路中串聯(lián)了磁珠，非常的便宜有效，如果要求的EFT抗擾度等級(jí)更高，那么可以適當(dāng)增加磁珠的數(shù)量。

圖 4  通信線串聯(lián)磁珠