RS-485接口往往需要工作在惡劣的電磁環境下，還要求實現長距離數據傳(chuan) 輸（可以達到1200米）、高速（可以達到幾十Mbps）。那麽(me) 在設計方麵需要注意一些什麽(me) 呢？本文主要介紹RS-485的工作模式，以及RS-485可能麵對的EMI電磁幹擾以及對應的解決(jue) 方案。

詳解RS-485工作原理

以差分傳(chuan) 輸來應對共模幹擾

當RS-485芯片接受到差分電壓大於(yu) 200mV時，RO腳輸出低電平，而本身DI可以輸出1.5V的差分電壓。因此有足夠的餘(yu) 量來支持長距離傳(chuan) 輸以及各種環境噪聲的幹擾。

 

圖1：RS-485芯片工作原理

為(wei) 了消除在通信電纜中的信號反射，一般使用雙絞線來避免幹擾。對於(yu) 比較長的連接，一般的做法是在RS-485總線的開始和末端都並接終端電阻，因為(wei) 大多數雙絞線電纜特性阻抗大約在120Ω左右。

RS-485的工作模式

以ADI的ADM3061EARZ為(wei) 例，半工RS-485連接支持多個(ge) 接收器和發射器在同一個(ge) 信號回路上，但是要保證每次隻有一個(ge) 發射器工作。這個(ge) 可以通過控製RE（收器使能）、DE（發射器使能引腳）來實現。半工RS-485可以雙向數據傳(chuan) 輸，但是每一個(ge) 時間節點上隻能一個(ge) 方向傳(chuan) 輸信號。

 

圖2：RS-485收發器的工作模式

了解更多RS485收發器信息，請點擊Digi-Key RS485收發器。

RS-485如何連接

為(wei) 了避免信號反射，在多個(ge) RS-485連接時，支路長度（StubLength）越短越好。同時要避免其他類型的連接，比如星型連接。

注：理論上支路長度應該小於(yu) 1/4波長（傳(chuan) 輸頻率對應的波長），實際應用上越小越好。

 

圖3：RS-485的正確連接

最大可以接多少個(ge) 節點由RS-485接收器的輸入阻抗來決(jue) 定，標準RS-485接收器輸入阻抗大於(yu) 12K歐姆，最多可以驅動32個(ge) 負載。輸入電阻越大，驅動的負載越多。比如ADM3061EARZ輸入阻抗48K歐姆，最多可以驅動128個(ge) 負載。

 

圖4：RS-485接收器的輸入阻抗和負載數量

RS-485麵臨(lin) 的EMC電磁幹擾風險

對於(yu) RS-485的EMC電磁幹擾需要考慮下麵三種情況的靜電防護：

“靜電”防護ESD：

幹擾成因：靜電引起的幹擾

幹擾路徑：手指觸碰

對應標準：IEC 61000-4-2

典型幹擾波形：接觸放電±8 kV ，ESD脈衝(chong) 4mJ ，ESD波形（接觸放電8kV）

 

圖5：靜電幹擾典型幹擾波形

“電快速瞬變脈衝(chong) 群” 防護EFT

幹擾成因：快速開關(guan) 引起的幹擾，比如：切斷感性負載、繼電器觸點彈跳等

幹擾路徑：高頻噪聲通過各種路徑耦合到通信端口

對應標準：IEC 61000-4-4

典型幹擾波形：端口電壓2kV，單個(ge) EFT脈衝(chong) 能量4mJ ，EFT 50Ω負載波形2kV

 

圖6：電快速瞬變脈衝(chong) 群典型幹擾波形

“浪湧”防護Surge

幹擾成因：開關(guan) 或雷電瞬變引起的幹擾

幹擾路徑：各種路徑耦合到通信端口

對應標準：IEC 61000-4-5

典型幹擾波形：浪湧脈衝(chong) 能量可以達到90J，浪湧1.2/50µs波形

 

圖7：浪湧電壓典型幹擾波形

RS485的EMC電磁幹擾解決(jue) 方案

TVS管保護

如何連接：TVS管連接需要保護的線路與(yu) 地，提供過壓保護。

如何工作：當產(chan) 生大於(yu) TVS的擊穿電壓的瞬態電壓時，TVS電阻變小，能量從(cong) TVS管流到地（《1 ns）。在瞬態事件後，TVS管自動複位至低阻抗狀態，允許係統恢複正常工作

 

圖8：TVS保護電路

TVS管非對稱擊穿電壓：RS485芯片需要保障在+12V至–7V的收發器共模範圍。因此對於(yu) TVS管的要求也是非對稱擊穿電壓。比如CDSOT23-SM712獨有特性是具有+13.3V和–7.5V的非對稱擊穿電壓。

如果需要了解更多非對稱TVS管信息，請點擊Digi-Key 非對稱TVS管選擇， 可以根據參數選型，選擇「12V（最大）， 7V（最小）」項，查找針對RS485設計的TVS管。

 

圖9：選擇針對RS485設計的TVS

TVS管對於(yu) EFT和ESD有著比較好保護。而浪湧的能量平均高出ESD和EFT三到四個(ge) 數量級， 但是TVS管可能不一定能很好的瓦解浪湧的能量，這時則需要更複雜的保護方案。

瞬態閉鎖單元（TBU）

如何連接：TBU串聯在需要保護的線路中，提供過流保護，與(yu) TVS管配合使用。

如何工作：當發生過流，TVS由於(yu) 瞬態電壓工作在擊穿狀態，TBU阻值變大，電流將升至預設的限流水平。此時，TBU會(hui) 在不足1µs時間內(nei) 將受保護電路與(yu) 浪湧斷開，隻有極小的電流通過受保護電路 （《1mA）。在瞬態事件後，TBU自動複位至低阻抗狀態，允許係統恢複正常工作。典型的TBU，比如Bourns 的TBU-CA065-200-WH。

 

圖10：TBU保護電路

浪湧抑製專(zhuan) 用芯片

一個(ge) 器件提供的保護往往有限，所以對於(yu) 高要求的應用，往往需要多種器件聯合使用。

你可以訪問Digi-Key浪湧抑製IC，選擇相關(guan) 的器件。Digi-Key網站提供豐(feng) 富的參數選項供選擇，下圖中「外部開關(guan) 」指的是器件外部需要另加開關(guan) （比如MOS管），而該芯片一般是起到控製作用。而「內(nei) 部開關(guan) 」指的是保護電路的開關(guan) 在芯片的內(nei) 部。

 

圖11：浪湧抑製專(zhuan) 用芯片選型參數

本文小結

盡管已使用多年，RS-485憑借良好的共模噪聲的抗幹擾的能力，適於(yu) 長距離信號傳(chuan) 輸，仍廣泛應用於(yu) 工業(ye) 環境。