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如何提高RS-485电快速脉冲群骚扰抗扰能力

文章出处:ZLG致远电子 发布时间: 2017/07/13 | 223 次阅读

RS-485总线是具有结构简单、通信距离远、通信速度高、成本低等优点,广泛应用于工业通讯、电力监控以及仪器仪表等行业。由于工业控制环境较为恶劣,会有比较多的干扰耦合在通信线中,影响RS-485总线的可靠性,甚至损坏RS-485收发器芯片,其中脉冲群骚扰就是比较常见的一种。我们通常使用电快速脉冲群(EFT)抗扰度试验来模拟这种骚扰,验证系统的可靠性。

1、脉冲群骚扰的来源

在工业控制环境中经常会出现雷电、短路、开关动作等具有电感负载的动作而产生的瞬时干扰,这些干扰是一些短暂的高能量的脉冲骚扰,具有脉冲成群出现、脉冲的上升时间比较短暂、脉冲的重复频率较高等特点。这些干扰会耦合到RS-485总线上,由于这些脉冲不是单个脉冲,而是一连串的脉冲,因此会在RS-485总线上产生积累,使骚扰的电压幅值超过RS-485收发器的噪声容限,引起通信错误。同时由于这些脉冲骚扰的周期较短,每个脉冲的出现的间隔时间较短,当第一个脉冲骚扰还未消失时,第二个脉冲就紧跟而来,对于RS-485总线上的寄生电容和RS-485收发器的结电容来说,在还没有放电完就又开始充电,并且通常寄生电容较小,较小的能量就可以达到较高的电压,容易损坏RS-485收发器,影响RS-485总线通信可靠性。

2、脉冲群骚扰产生原理

脉冲群骚扰源的电压大小取决于负载电路的电感、负载断开的速度等因素。以开关动作为例,由于开关打开瞬间动静触头之间的距离比较近,电路中的电感感应出来的反电动势足以将触头间的空气间隙击穿,电路开始导通,但这一放电过程的时间非常短暂,此时电路将产生一个前沿脉冲为ns级,宽度达到几十ns级,幅度几千伏以上的高压小脉冲。当上述脉冲结束后,电路开始重复电感性负载产生反电动势和通过开关动静触头间的空气间隙放电的过程。这一过程将一直进行,直到贮存在电感性能负载中的能量足够低,再也产生不了上述放电过程为止。这些干扰会耦合到RS-485总线上,形成较大的干扰,影响通信的可靠性。

3、提高电快速脉冲群抗扰能力的措施

电快速脉冲群抗扰是共模干扰,可以采用滤波、吸收或者隔离的方式进行抑制。

· RS-485总线隔离

例如致远电子的隔离RS-485收发模块RSM485PHT(自动收发)、RSM485PCHT、RSM485PCT以及RSM485ECHT等,模块集成了信号隔离和电源隔离功能于一身,在不加外部保护电路的情况下,可以达到IEC 61000-4-4 ±2kV(B等级,RS-485端口浮地情况下进行测试),如果需要更高的等级可以根据实际情况再增加以下保护措施。如图 1所示为RSM3485PHT隔离收发模块进行EFT测试图,模块外部未增加保护电路,即可通过IEC 61000-4-4 ±2kV(B等级)。

图 1 RSM3485PHT模块EFT测试图

· 增加铁氧体磁环吸收干扰

在设备入口端增加铁氧体磁环可有效吸收干扰,同时增加通信线在铁氧体磁环中的匝数可以增加干扰的吸收效果,如图 2所示,在待测设备RS-485接口附近增加铁氧体磁环。

图 2 通信线增加铁氧体磁环

· 使用屏蔽双绞线

如图所示,在实际应用中,RS-485通信线可以使用屏蔽双绞线,并且屏蔽层单点接大地,可以有效抑制电快速脉冲群骚扰耦合到通信线上。

图 3 使用屏蔽双绞线

· 增加RS-485总线对地TVS

当在A对大地、B对大地之间增加TVS管,耦合到RS-485总线上的电快速脉冲群骚扰电压幅值较高时,干扰电压会被TVS钳位,达到保护RS-485收发器的目的。

· RS-485总线串联磁珠

由于磁珠在高频时相当于电阻,会将高频能量转化为热能消耗掉,因此在RS-485总线上串联磁珠,在电快速脉冲群信号耦合到RS-485总线上时,电快速脉冲群骚扰的能量会被磁珠消耗掉,提高RS-485总线的抗干扰能力。

4、提高EFT抗扰度等级的实例

如图 4所示的电路,两个RSM3485PHT模块AB接口分别串联了磁珠,能够达到IEC 61000-4-4 ±4kV,并能够有效降低通信误码率,仅在电路中串联了磁珠,非常的便宜有效,如果要求的EFT抗扰度等级更高,那么可以适当增加磁珠的数量。

图 4 通信线串联磁珠

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