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如何提高RS-485電快速脈沖群騷擾抗擾能力

來源: 發布時間:2017-07-13 09:25:19 次瀏覽

RS-485總線是具有結構簡單、通信距離遠、通信速度高、成本低等優點,廣泛應用于工業通訊、電力監控以及儀器儀表等行業。由于工業控制環境較為惡劣,會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)抗擾度試驗來模擬這種騷擾,驗證系統的可靠性。

1、脈沖群騷擾的來源
在工業控制環境中經常會出現雷電、短路、開關動作等具有電感負載的動作而產生的瞬時干擾,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、脈沖的上升時間比較短暫、脈沖的重復頻率較高等特點。這些干擾會耦合到RS-485總線上,由于這些脈沖不是單個脈沖,而是一連串的脈沖,因此會在RS-485總線上產生積累,使騷擾的電壓幅值超過RS-485收發器的噪聲容限,引起通信錯誤。同時由于這些脈沖騷擾的周期較短,每個脈沖的出現的間隔時間較短,當第一個脈沖騷擾還未消失時,第二個脈沖就緊跟而來,對于RS-485總線上的寄生電容和RS-485收發器的結電容來說,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到較高的電壓,容易損壞RS-485收發器,影響RS-485總線通信可靠性。

2、脈沖群騷擾產生原理
脈沖群騷擾源的電壓大小取決于負載電路的電感、負載斷開的速度等因素。以開關動作為例,由于開關打開瞬間動靜觸頭之間的距離比較近,電路中的電感感應出來的反電動勢足以將觸頭間的空氣間隙擊穿,電路開始導通,但這一放電過程的時間非常短暫,此時電路將產生一個前沿脈沖為ns級,寬度達到幾十ns級,幅度幾千伏以上的高壓小脈沖。當上述脈沖結束后,電路開始重復電感性負載產生反電動勢和通過開關動靜觸頭間的空氣間隙放電的過程。這一過程將一直進行,直到貯存在電感性能負載中的能量足夠低,再也產生不了上述放電過程為止。這些干擾會耦合到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行抑制。

lRS-485總線隔離
例如致遠電子的隔離RS-485收發模塊RSM485PHT(自動收發)、RSM485PCHT、RSM485PCT以及RSM485ECHT等,模塊集成了信號隔離和電源隔離功能于一身,在不加外部保護電路的情況下,可以達到IEC 61000-4-4 ±2kV(B等級,RS-485端口浮地情況下進行測試),如果需要更高的等級可以根據實際情況再增加以下保護措施。如圖 1所示為RSM3485PHT隔離收發模塊進行EFT測試圖,模塊外部未增加保護電路,即可通過IEC 61000-4-4 ±2kV(B等級)。

 


圖 1  RSM3485PHT模塊EFT測試圖


l增加鐵氧體磁環吸收干擾
在設備入口端增加鐵氧體磁環可有效吸收干擾,同時增加通信線在鐵氧體磁環中的匝數可以增加干擾的吸收效果,如圖 2所示,在待測設備RS-485接口附近增加鐵氧體磁環。

 


圖 2  通信線增加鐵氧體磁環
 


l使用屏蔽雙絞線
如圖所示,在實際應用中,RS-485通信線可以使用屏蔽雙絞線,并且屏蔽層單點接大地,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總線對地TVS
當在A對大地、B對大地之間增加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,干擾電壓會被TVS鉗位,達到保護RS-485收發器的目的。

lRS-485總線串聯磁珠
由于磁珠在高頻時相當于電阻,會將高頻能量轉化為熱能消耗掉,因此在RS-485總線上串聯磁珠,在電快速脈沖群信號耦合到RS-485總線上時,電快速脈沖群騷擾的能量會被磁珠消耗掉,提高RS-485總線的抗干擾能力。

4、提高EFT抗擾度等級的實例
如圖 4所示的電路,兩個RSM3485PHT模塊AB接口分別串聯了磁珠,能夠達到IEC 61000-4-4 ±4kV,并能夠有效降低通信誤碼率,僅在電路中串聯了磁珠,非常的便宜有效,如果要求的EFT抗擾度等級更高,那么可以適當增加磁珠的數量。

 


圖 4  通信線串聯磁珠

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