詳解RS-485工作原理

 

以差分傳輸來(lái)應(yīng)對(duì)共模干擾

 

當(dāng)RS-485芯片接受到差分電壓大于200mV時(shí)，RO腳輸出低電平，而本身DI可以輸出1.5V的差分電壓。因此有足夠的余量來(lái)支持長(zhǎng)距離傳輸以及各種環(huán)境噪聲的干擾。

 

圖1：RS-485芯片工作原理

 

為了消除在通信電纜中的信號(hào)反射，一般使用雙絞線來(lái)避免干擾。對(duì)于比較長(zhǎng)的連接，一般的做法是在RS-485總線的開(kāi)始和末端都并接終端電阻，因?yàn)榇蠖鄶?shù)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為例，半工RS-485連接支持多個(gè)接收器和發(fā)射器在同一個(gè)信號(hào)回路上，但是要保證每次只有一個(gè)發(fā)射器工作。這個(gè)可以通過(guò)控制RE（收器使能）、DE（發(fā)射器使能引腳）來(lái)實(shí)現(xiàn)。半工RS-485可以雙向數(shù)據(jù)傳輸，但是每一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上只能一個(gè)方向傳輸信號(hào)。

 

圖2：RS-485收發(fā)器的工作模式

 

了解更多RS485收發(fā)器信息，請(qǐng)點(diǎn)擊Digi-Key RS485收發(fā)器。

 

RS-485如何連接

 

為了避免信號(hào)反射，在多個(gè)RS-485連接時(shí)，支路長(zhǎng)度（StubLength）越短越好。同時(shí)要避免其他類型的連接，比如星型連接。

 

注：理論上支路長(zhǎng)度應(yīng)該小于1/4波長(zhǎng)（傳輸頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)），實(shí)際應(yīng)用上越小越好。

 

圖3：RS-485的正確連接

 

最大可以接多少個(gè)節(jié)點(diǎn)由RS-485接收器的輸入阻抗來(lái)決定，標(biāo)準(zhǔn)RS-485接收器輸入阻抗大于12K歐姆，最多可以驅(qū)動(dòng)32個(gè)負(fù)載。輸入電阻越大，驅(qū)動(dòng)的負(fù)載越多。比如ADM3061EARZ輸入阻抗48K歐姆，最多可以驅(qū)動(dòng)128個(gè)負(fù)載。

 

圖4：RS-485接收器的輸入阻抗和負(fù)載數(shù)量

 

RS-485面臨的EMC電磁干擾風(fēng)險(xiǎn)

 

對(duì)于RS-485的EMC電磁干擾需要考慮下面三種情況的靜電防護(hù)：

 

“靜電”防護(hù)ESD：

 

干擾成因：靜電引起的干擾

干擾路徑：手指觸碰

對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)：IEC 61000-4-2

典型干擾波形：接觸放電±8 kV ，ESD脈沖4mJ ，ESD波形(接觸放電8kV)

 

圖5：靜電干擾典型干擾波形

 

“電快速瞬變脈沖群” 防護(hù)EFT

 

干擾成因：快速開(kāi)關(guān)引起的干擾，比如：切斷感性負(fù)載、繼電器觸點(diǎn)彈跳等

干擾路徑：高頻噪聲通過(guò)各種路徑耦合到通信端口

對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)：IEC 61000-4-4

典型干擾波形：端口電壓2kV，單個(gè)EFT脈沖能量4mJ ，EFT 50Ω負(fù)載波形2kV

 

圖6：電快速瞬變脈沖群典型干擾波形

 

“浪涌”防護(hù)Surge

 

干擾成因：開(kāi)關(guān)或雷電瞬變引起的干擾

干擾路徑：各種路徑耦合到通信端口

對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)：IEC 61000-4-5

典型干擾波形：浪涌脈沖能量可以達(dá)到90J，浪涌1.2/50µs波形

 

圖7：浪涌電壓典型干擾波形

 

RS485的EMC電磁干擾解決方案

 

TVS管保護(hù)

 

如何連接：TVS管連接需要保護(hù)的線路與地，提供過(guò)壓保護(hù)。

如何工作：當(dāng)產(chǎn)生大于TVS的擊穿電壓的瞬態(tài)電壓時(shí)，TVS電阻變小，能量從TVS管流到地（<1 ns）。在瞬態(tài)事件后，TVS管自動(dòng)復(fù)位至低阻抗?fàn)顟B(tài)，允許系統(tǒng)恢復(fù)正常工作

 

圖8：TVS保護(hù)電路

 

TVS管非對(duì)稱擊穿電壓：RS485芯片需要保障在+12V至–7V的收發(fā)器共模范圍。因此對(duì)于TVS管的要求也是非對(duì)稱擊穿電壓。比如CDSOT23-SM712獨(dú)有特性是具有+13.3V和–7.5V的非對(duì)稱擊穿電壓。

 

如果需要了解更多非對(duì)稱TVS管信息，請(qǐng)點(diǎn)擊Digi-Key 非對(duì)稱TVS管選擇， 可以根據(jù)參數(shù)選型，選擇「12V(最大), 7V(最小)」項(xiàng)，查找針對(duì)RS485設(shè)計(jì)的TVS管。

 

圖9：選擇針對(duì)RS485設(shè)計(jì)的TVS

 

TVS管對(duì)于EFT和ESD有著比較好保護(hù)。而浪涌的能量平均高出ESD和EFT三到四個(gè)數(shù)量級(jí)， 但是TVS管可能不一定能很好的瓦解浪涌的能量，這時(shí)則需要更復(fù)雜的保護(hù)方案。

 

瞬態(tài)閉鎖單元(TBU)

 

如何連接：TBU串聯(lián)在需要保護(hù)的線路中，提供過(guò)流保護(hù)，與TVS管配合使用。

如何工作：當(dāng)發(fā)生過(guò)流，TVS由于瞬態(tài)電壓工作在擊穿狀態(tài)，TBU阻值變大，電流將升至預(yù)設(shè)的限流水平。此時(shí)，TBU會(huì)在不足1µs時(shí)間內(nèi)將受保護(hù)電路與浪涌斷開(kāi)，只有極小的電流通過(guò)受保護(hù)電路 (<1mA)。在瞬態(tài)事件后，TBU自動(dòng)復(fù)位至低阻抗?fàn)顟B(tài)，允許系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。典型的TBU，比如Bourns 的TBU-CA065-200-WH。

 

圖10：TBU保護(hù)電路

 

浪涌抑制專用芯片

 

一個(gè)器件提供的保護(hù)往往有限，所以對(duì)于高要求的應(yīng)用，往往需要多種器件聯(lián)合使用。

 

你可以訪問(wèn)Digi-Key浪涌抑制IC，選擇相關(guān)的器件。Digi-Key網(wǎng)站提供豐富的參數(shù)選項(xiàng)供選擇，下圖中「外部開(kāi)關(guān)」指的是器件外部需要另加開(kāi)關(guān)（比如MOS管），而該芯片一般是起到控制作用。而「內(nèi)部開(kāi)關(guān)」指的是保護(hù)電路的開(kāi)關(guān)在芯片的內(nèi)部。

 

圖11：浪涌抑制專用芯片選型參數(shù)

 

本文小結(jié)

 

盡管已使用多年，RS-485憑借良好的共模噪聲的抗干擾的能力，適于長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸，仍廣泛應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境。

 

來(lái)源：得捷電子  作者：Alan Yang