电磁兼容RS485接口EMC电路设计方案

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一、原理图

1. RS485接口6KV防雷电路设计方案

图1 RS485接口防雷电路

接口电路设计概述：

RS485用于设备与计算机或其它设备之间通讯，在产品应用中其走线多与电源、功率信号等混合在一起，存在ＥＭＣ隐患。

本方案从EMC原理上，进行了相关的抑制干扰和抗敏感度的设计，从设计层次解决EMC问题。

2.电路EMC设计说明：

（1）电路滤波设计要点：

L1为共模电感，共模电感能够对衰减共模干扰，对单板内部的干扰以及外部的干扰都能抑制，能提高产品的抗干扰能力，同时也能减小通过429信号线对外的辐射，共模电感阻抗选择范围为120Ω/100MHz ~2200Ω/100MHz，典型值选取1000Ω/100MHz；

C1、C2为滤波电容，给干扰提供低阻抗的回流路径，能有效减小对外的共模电流以同时对外界干扰能够滤波；电容容值选取范围为22PF~1000pF，典型值选取100pF；若信号线对金属外壳有绝缘耐压要求，那么差分线对地的两个滤波电容需要考虑耐压；

当电路上有多个节点时要考虑降低或去掉滤波电容的值。C3为接口地和数字地之间的跨接电容，典型取值为1000pF， C3容值可根据测试情况进行调整；

（2）电路防雷设计要点：

为了达到IEC61000-4-5或GB17626.5标准，共模6KV，差模2KV的防雷测试要求，D4为三端气体放电管组成第一级防护电路，用于抑制线路上的共模以及差模浪涌干扰，防止干扰通过信号线影响下一级电路；

气体放电管标称电压VBRW要求大于13V，峰值电流IPP要求大于等于143A；

峰值功率WPP要求大于等于1859W；

PTC1、PTC2为热敏电阻组成第二级防护电路，典型取值为10Ω/2W；

为保证气体放电管能顺利的导通，泄放大能量必须增加此电阻进行分压，确保大部分能量通过气体放电管走掉；

D1~D3为TSS管（半导体放电管）组成第三级防护电路，TSS管标称电压VBRW要求大于8V，峰值电流IPP要求大于等于143A；峰值功率WPP要求大于等于1144W；

3.接口电路设计备注：

如果设备为金属外壳，同时单板可以独立的划分出接口地，那么金属外壳与接口地直接电气连接，且单板地与接口地通过1000pF电容相连；

如果设备为非金属外壳，那么接口地PGND与单板数字地GND直接电气连接。

二. PCB设计

1. RS485接口电路布局

图1 RS485接口滤波及防护电路布局

方案特点：

（1）防护器件及滤波器件要靠近接口位置处摆放且要求摆放紧凑整齐，按照先防护后滤波的规则，走线时要尽量避免走线曲折的情况；

（2）共模电感与跨接电容要置于隔离带中。

方案分析：

（1）接口及接口滤波防护电路周边不能走线且不能放置高速或敏感的器件；

（2）隔离带下面投影层要做掏空处理，禁止走线。

2. RS485接口电路分地设计

方案特点：

（1）为了抑制内部单板噪声通过RS485接口向外传导辐射，也为了增强单板对外部干扰的抗扰能力，在RS485接口处增加滤波器件进行抑制，以滤波器件位置大小为界，划分出接口地；

（2）隔离带中可以选择性的增加电容作为两者地之间的连接，电容C4、C5取值建议为1000pF，信号线上串联共模电感CM与电容滤波，并与接口地并联GDT和TVS管进行防护；且所有防护器件都靠近接口放置，共模电感CM置于隔离带内，具体布局如图示。

方案分析：

（1）当接口与单板存在相容性较差或不相容的电路时，需要在接口与单板之间进行“分地”处理，即根据不同的端口电压、电平信号和传输速率来分别设置地线。“分地”，可以防止不相容电路的回流信号的叠加，防止公共地线阻抗耦合；

（2）“分地”现象会导致回流信号跨越隔离带时阻抗变大，从而引起极大的EMC风险，因此在隔离带间通过电容来给信号提供回流路径。

EMC寄语
随着时代的发展，越来越多的电子、电气设备或系统产品都需要进行检验检测，其中EMC测试是必备的检验检测指标之一。但EMC测试项目费用较贵，EMC实验室造价昂贵，绝大部分测量设备又需要采用进口设备，导致很少检验检测机构有能力建造EMC实验室。产品的EMC性能是设计阶段赋予的，一般电子产品设计时如果不考虑EMC因素，就会很容易导致EMC测试失败，以致不能通过相关EMC法规的测试或认证。例如，产品设计研发工程师们根据需求，设计出效果良好的滤波电路，置入产品I/O(输入/输出）接口的前级，可使因传导而进入系统的干扰噪声消除在电路系统的入口处；设计出隔离电路（如变压器隔离和光电隔离等）解决通过电源线、信号线和地线进入电路的传导干扰，同时阻止因公共阻抗、长线传输而引起的干扰；设计出能量吸收回路，从而减少电路、器件吸收的噪声能量；通过选择元器件和合理安排的电路系统，使干扰的影响减少。
EMC技能:整改小技巧
1、150kHz-1MHz，以差模为主，1MHz-5MHz，差模和共模共同起作用，5MHz 以后基本上是共模。差模干扰的分容性藕合和感性藕合。一般1MHz以上的干扰是共模，低频段是差摸干扰。用一个电阻串个电容后再并到Y电容的引脚上，用示波器测电阻两引脚的电压可以估测共模干扰。
2、保险过后加差模电感或电阻。
3、小功率电源可采用PI型滤波器处理(建议靠近变压器的电解电容可选用较大些)。
4、前端的π型EMI零件中差模电感只负责低频EMI，体积别选太大(DR8太大，能用电阻型式或DR6更好)否则幅射不好过，必要时可串磁珠，因为高频会直接飞到前端不会跟着线走。5、传导冷机时在0.15MHz-1MHz超标，热机时就有7dB余量。主要原因是初级BULk电容DF值过大造成的，冷机时ESR比较大，热机时ESR比较小，开关电流在ESR上形成开关电压，它会压在一个电流LN线间流动，这就是差模干扰。解决办法是用ESR低的电解电容或者在两个电解电容之间加一个差模电感。
6、测试150kHz总超标的解决方案：加大X电容看一下能不能下来，如果下来了说明是差模干扰。如果没有太大作用那么是共模干扰，或者把电源线在一个大磁环上绕几圈，下来了说明是共模干扰。如果干扰曲线后面很好，就减小Y电容，看一下布板是否有问题，或者就在前面加磁环。
7、可以加大PFC输入部分的单绕组电感的电感量。
8、PWM线路中的元件将主频调到60kHz左右。
9、用一块铜皮紧贴在变压器磁芯上。
10、共模电感的两边感量不对称，有一边匝数少一匝也可引起传导150kHz-3MHz超标。11、一般传导的产生有两个主要的点：200kHz和20MHz左右，这几个点也体现了电路的性能;200kHz左右主要是漏感产生的尖刺;20MHz左右主要是电路开关的噪声。处理不好变压器会增加大量的辐射，加屏蔽都没用，辐射过不了。
12、将输入BUCk电容改为低内阻的电容。
13、对于无Y-CAP电源，绕制变压器时先绕初级，再绕辅助绕组并将辅助绕组密绕靠一边，后绕次级。
14、将共模电感上并联一个几k到几十k电阻。
15、将共模电感用铜箔屏蔽后接到大电容的地。
16、在PCB设计时应将共模电感和变压器隔开一点以免互相干扰。
17、保险套磁珠。
18、三线输入的将两根进线接地的Y电容容量从2.2nF减小到471。
19、对于有两级滤波的可将后级0.22uFX电容去掉(有时前后X电容会引起震荡) 。
20、对于π型滤波电路有一个BUCk电容躺倒放在PCB上且靠近变压器此电容对传导150kHz-2MHz的L通道有干扰，改良方法是将此电容用铜泊包起来屏蔽接到地，或者用一块小的PCB将此电容与变压器和PCB隔开。或者将此电容立起来，也可以用一个小电容代替。
21、对于π型滤波电路有一个BUCk电容躺倒放在PCB上且靠近变压器此电容对传导150kHz-2MHz的L通道有干扰，改良方法是将此电容用一个1uF/400V或者说0.1uF/400V电容代替，将另外一个电容加大。
22、将共模电感前加一个小的几百uH差模电感。
23、将开关管和散热器用一段铜箔包绕起来，并且铜箔两端短接在一起，再用一根铜线连接到地。
24、将共模电感用一块铜皮包起来再连接到地。
25、将开关管用金属套起来连接到地。
26、加大X2电容只能解决150kHz左右的频段，不能解决20MHz以上的频段，只有在电源输入加以一级镍锌铁氧体黑色磁环，电感量约50uH-1mH。
27、在输入端加大X电容。
28、加大输入端共模电感。
29、将辅助绕组供电二极管反接到地。
30、将辅助绕组供电滤波电容改用瘦长型电解电容或者加大容量。
31、加大输入端滤波电容。
32、150kHz-300kHz和20MHz-30MHz这两处传导都不过，可在共模电路前加一个差模电路。也可以看看接地是否有问题，该接地的地方一定要加强接牢，主板上的地线一定要理顺，不同的地线之间走线一定要顺畅不要互相交错的。
33、在整流桥上并电容，当考虑共模成分时，应该邻角并电容，当考虑差模成分时，应该对角并电容。
34、加大输入端差模电感。
2、产品电磁兼容骚扰源有：
1、设备开关电源的开关回路：骚扰源主频几十kHz到百余kHz，高次谐波可延伸到数十MHz。
2、设备直流电源的整流回路：工频线性电源工频整流噪声频率上限可延伸到数百kHz；开关电源高频整流噪声频率上限可延伸到数十MHz。
3、电动设备直流电机的电刷噪声：噪声频率上限可延伸到数百MHz。
4、电动设备交流电机的运行噪声：高次谐波可延伸到数十MHz。
5、变频调速电路的骚扰发射：开关调速回路骚扰源频率从几十kHz到几十MHz。
6、设备运行状态切换的开关噪声：由机械或电子开关动作产生的噪声频率上限可延伸到数百MHz。
7、智能控制设备的晶振及数字电路电磁骚扰：骚扰源主频几十kHz到几十MHz，高次谐波可延伸到数百MHz。
8、微波设备的微波泄漏：骚扰源主频数GHz。
9、电磁感应加热设备的电磁骚扰发射：骚扰源主频几十kHz，高次谐波可延伸到数十MHz。
10电视电声接收设备的高频调谐回路的本振及其谐波：骚扰源主频数十MHz到数百MHz，高次谐波可延伸到数GHz。
11、信息技术设备及各类自动控制设备的数字处理电路：骚扰源主频数十MHz到数百MHz（经内部倍频主频可达数GHz），高次谐波可延伸到十几GHz。

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