RS485接口EMC設計方案

一.原理圖設計方案

1. RS485接口6KV防雷電路設計方案

   

圖1 RS485接口防雷電路

接口電路設計概述：

RS485用于裝置與計算機或其它裝置之間通訊，在産品應用中其走線多與電源、功率信号等混合在一起，存在ＥＭＣ隐患。

本方案從EMC原理上，進行了相關的抑制幹擾和抗敏感度的設計，從設計層次解決EMC問題。

電路EMC設計說明：

（1） 電路濾波設計要點：

L1為共模電感，共模電感能夠對衰減共模幹擾，對單闆内部的幹擾以及外部的幹擾都能抑制，能提高産品的抗幹擾能力，同時也能減小通過429信号線對外的輻射，共模電感阻抗選擇範圍為120Ω/100MHz ~2200Ω/100MHz，典型值選取1000Ω/100MHz；

C1、C2為濾波電容，給幹擾提供低阻抗的回流路徑，能有效減小對外的共模電流以同時對外界幹擾能夠濾波；電容容值選取範圍為22PF~1000pF，典型值選取100pF；若信号線對金屬外殼有絕緣耐壓要求，那麼差分線對地的兩個濾波電容需要考慮耐壓；當電路上有多個節點時要考慮降低或去掉濾波電容的值。

C3為接口地和數字地之間的跨接電容，典型取值為1000pF， C3容值可根據測試情況進行調整；

（2） 電路防雷設計要點：

為了達到IEC61000-4-5或GB17626.5标準，共模6KV，差摸2KV的防雷測試要求，D4為三端氣體放電管組成第一級防護電路，用于抑制線路上的共模以及差模浪湧幹擾，防止幹擾通過信号線影響下一級電路；氣體放電管标稱電壓VBRW要求大于13V，峰值電流IPP要求大于等于143A；峰值功率WPP要求大于等于1859W；

PTC1、PTC2為熱敏電阻組成第二級防護電路，典型取值為10Ω/2W；為保證氣體放電管能順利的導通，洩放大能量必須增加此電阻進行分壓，確定大部分能量通過氣體放電管走掉； D1~D3為TSS管（半導體放電管）組成第三級防護電路，TSS管标稱電壓VBRW要求大于8V，峰值電流IPP要求大于等于143A；峰值功率WPP要求大于等于1144W；

接口電路設計備注：

如果裝置為金屬外殼，同時單闆可以獨立的劃分出接口地，那麼金屬外殼與接口地直接電氣連接配接，且單闆地與接口地通過1000pF電容相連；

如果裝置為非金屬外殼，那麼接口地PGND與單闆數字地GND直接電氣連接配接。

二. PCB設計方案

1. RS485接口電路布局

圖1 RS485接口濾波及防護電路布局

方案特點：

（1）防護器件及濾波器件要靠近接口位置處擺放且要求擺放緊湊整齊，按照先防護後濾波的規則，走線時要盡量避免走線曲折的情況；

（2） 共模電感與跨接電容要置于隔離帶中。

方案分析：

（1） 接口及接口濾波防護電路周邊不能走線且不能放置高速或敏感的器件；

（2） 隔離帶下面投影層要做掏空處理，禁止走線。

2. RS485接口電路分地設計

圖1 RS485接口分地設計

方案特點：

（1） 為了抑制内部單闆噪聲通過RS485接口向外傳導輻射，也為了增強單闆對外部幹擾的抗擾能力，在RS485接口處增加濾波器件進行抑制，以濾波器件位置大小為界，劃分出接口地；

（2） 隔離帶中可以選擇性的增加電容作為兩者地之間的連接配接，電容C4、C5取值建議為1000pF，信号線上串聯共模電感CM與電容濾波，并與接口地并聯GDT和TVS管進行防護；且所有防護器件都靠近接口放置，共模電感CM置于隔離帶内，具體布局如圖示。

方案分析：

（1） 當接口與單闆存在相容性較差或不相容的電路時，需要在接口與單闆之間進行“分地”處理，即根據不同的端口電壓、電平信号和傳輸速率來分别設定地線。“分地”，可以防止不相容電路的回流信号的疊加，防止公共地線阻抗耦合；

（2） “分地”現象會導緻回流信号跨越隔離帶時阻抗變大，進而引起極大的EMC風險，是以在隔離帶間通過電容來給信号提供回流路徑。

三． 結構設計方案

1. RS485連接配接器與機體的搭接

圖1 矩形連接配接器設計

矩形連接配接器RS485的搭接方式：

屏蔽連接配接器與屏蔽體之間的縫隙中裝屏蔽材料（導電布或者不鏽鋼簧片），保證縫隙的屏蔽效能，這種屏蔽材料需要按照屏蔽連接配接器的形狀定制加工，一般推薦導電布材料；或者在做機體的模具時，連接配接器的開孔做内嵌處理，增大連接配接器與機體間的接觸面積，提高屏蔽效能。搭接方式如上圖：

2. RS 485信号針腳定義

圖2 RS 485信号

RS485連接配接器信号針腳定義

（1） 若是單組RS485信号，那麼選擇相鄰的兩個針腳作為差分信号；

（2） 若是多組RS485信号在同一個連接配接器内，那麼每組信号間要定義一個地針腳來互相隔離。如上圖所示：

四. 線纜設計方案

1. RS485連接配接器與電纜的搭接

圖1 矩形連接配接器

電纜與矩形連接配接器RS485的搭接：

（1） 屏蔽電纜的屏蔽層要求與金屬連接配接器進行360°的搭接；搭接方式如上圖：

（2） 屏蔽電纜屏蔽層要避免出現單獨的“尾巴”現象。

2. RS485信号組線

圖2 RS 485信号

電纜設計：

（1） RS485信号電纜采用網狀編織屏蔽層的屏蔽方式，且網狀編織層編織密度要求不小于90%；

（2） 内部組線時，差分電纜采用雙絞傳輸，雙絞絞距一般為信号電纜線徑的3倍；組線方式如上圖所示：

（3） 電纜兩端需要增加磁環處理，磁環内徑與電纜的外徑要緊密結合，盡量選擇厚長型的磁環。

走線設計：

（1） RS485電纜走線時要求遠離其他強幹擾源，如電源子產品；

（2） 電纜走線最好單獨走線或與其他模拟以及功率線纜保持10cm以上距離，切不可與其他線纜一起混合捆紮。