隔離型RS-485收發(fā)器的七大設(shè)計問題匯總

作者：德州儀器Anthony Viviano和Vikas Thawani

您是否正在搜尋有關(guān)RS-485的更多信息?我們特意根據(jù)TI E2E™社區(qū)的反饋，匯編了關(guān)于隔離型RS-485收發(fā)器設(shè)計攻關(guān)的最常見問題清單。希望這份清單能為您提供關(guān)于RS-485隔離信號與電源的有用見解。

1.何時必須隔離RS-485總線?

隔離可防止系統(tǒng)兩個部分之間的直流電(DC)和異常的交流電(AC)，但仍然支持兩個部分之間的信號和電能傳輸。隔離通常能夠阻止電氣組件或人員遭受危險電壓和電流浪涌的傷害;用于保護人員的隔離稱為增強型隔離。隔離可防止節(jié)點之間進行長途通信時形成接地回路。隔離還允許遠高于RS-485標(biāo)準(zhǔn)所推薦的節(jié)點間通信接地電位差變化率。

2.可以把多少個節(jié)點連接到一條RS-485總線上?

為預(yù)估可能的最大總線負(fù)載數(shù)量，RS-485定義了一個假設(shè)術(shù)語“單位負(fù)載(UL)”，它代表約為12kΩ的負(fù)載阻抗。美國電子工業(yè)協(xié)會(TIA/EIA) RS-485標(biāo)準(zhǔn)強制規(guī)定最多能夠為一條RS-485總線添加32 UL負(fù)載。我們使用輸入電壓除以漏電流得到的最壞情況下的性能比來計算一個節(jié)點的UL，如等式1所示。

一旦算出了該節(jié)點的UL，就可以用等式2計算最大節(jié)點數(shù)量：

大部分TI隔離型RS-485收發(fā)器的單一UL為1/8，因此換算的結(jié)果是一條RS-485總線上最多可以有256個節(jié)點。

如需更多了解UL及一條RS-485總線可連接的節(jié)點數(shù)量，請參考“模擬應(yīng)用期刊”文章——“RS-485單位負(fù)載與最大總線連接數(shù)量”。

3.隔離型RS-485的速度與長度相關(guān)性是什么?

在信號速率(速度)與電纜長度之間存在反向關(guān)系。它們之間的確切關(guān)系取決于電纜本身的電阻和電容。如果構(gòu)建RS-485網(wǎng)絡(luò)，選擇電纜與收發(fā)器同等重要，如此方能確保在所需距離上的可靠通信。圖1展示了信號速率與電纜長度的相關(guān)性。圖中的圈3顯示的是與信號速率無關(guān)的最大電纜長度;在曲線的這部分區(qū)域，電纜的直流電阻導(dǎo)致信號衰減，限制了最大通信距離。圈2展示了信號速率與電纜長度之間的反向關(guān)系，這是由傳輸線路損耗造成的，電纜越長損耗越大。圈1使您可以忽略傳輸線路損耗;驅(qū)動器的上升和下降時間，決定了對最大數(shù)據(jù)傳輸率的主要限制因素。RS-485標(biāo)準(zhǔn)建議最大信號速率為10Mbps;但是，按照當(dāng)今的技術(shù)，信號速率已達50Mbps。

圖 1：信號速率與電纜長度的關(guān)系

4.什么是故障保護偏置，如何設(shè)計它?

為履行RS-485標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)差分輸入(VID)超過200mV時，接收器輸出必須生成邏輯高電平，而當(dāng)VID低于-200mV時，則必須輸出邏輯低電平。然而，在下列三種情況下會生成無效輸出：

·總線開路，例如電纜斷裂或連接器斷開。

·總線短路，例如電纜絕緣破損，使絞線對短路。

·總線閑置，如果總線上沒有驅(qū)動器有效驅(qū)動，就會產(chǎn)生這種結(jié)果。

在以上任何情況中，對于端接的傳輸線路，RS-485接收器VID為零，無故障保護接收器輸出則不確定。

故障保護偏置為閑置總線提供差分電壓，從而能夠維持接收器處于邏輯高電平態(tài)。如果您不考慮故障保護偏置，終端電阻可將總線電壓降至0V，導(dǎo)致錯誤的輸出或信號振蕩。您可以通過結(jié)合運用電阻網(wǎng)絡(luò)與RS-485接收器，設(shè)計故障保護偏置。TI隔離型RS-485收發(fā)器均已針對總線開路、短路或閑置的情況集成了故障保護偏置，故不再需要構(gòu)建外部電路來設(shè)計故障保護偏置。

5.何時需要端接RS-485總線，它對系統(tǒng)而言有何優(yōu)點和缺點?

在大部分RS-485應(yīng)用中，為防止信號反射，終端電阻都與電纜的特性阻抗相匹配。終端電阻應(yīng)安裝在RS-485總線的兩端。有些短途通信在沒有終端電阻的情況下也能正常操作，但對于所有應(yīng)用而言端接線路都是最佳方法。終端電阻的缺點是由電阻產(chǎn)生直流損耗，這會使系統(tǒng)產(chǎn)生更高的功耗。即便有此缺憾，終端電阻仍然是絕大多數(shù)應(yīng)用的好選擇。

6.隔離型RS-485設(shè)備需要哪種瞬態(tài)保護?

隔離型RS-485設(shè)備采用何種瞬態(tài)保護取決于最終系統(tǒng)中可能的干擾類型，例如靜電釋放(ESD)、電快速瞬變脈沖群(EFT)或浪涌，以及所需的保護水平。TI隔離型RS-485收發(fā)器產(chǎn)品系列如果具有浮動絕緣接地導(dǎo)體，則集成收發(fā)器總線終端會具有某種程度的內(nèi)部瞬態(tài)保護。除此之外，正確設(shè)計系統(tǒng)后，您可以利用隔離勢壘形成針對這些瞬態(tài)變化的高阻抗。如果您不希望系統(tǒng)中出現(xiàn)差分瞬態(tài)現(xiàn)象，并測試了所有與最終設(shè)備接地相關(guān)的瞬態(tài)，然后將保護性接地裝置(PE)連接到隔離型收發(fā)器的邏輯側(cè)，將使所有高電壓瞬態(tài)發(fā)生在隔離勢壘處。把PE連接到邏輯側(cè)，可以免除外部組件，如瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管或防脈沖電阻等。

圖2展示了采用ISO1410的增強型瞬態(tài)保護技術(shù)。

圖 2：半雙工隔離型RS-485收發(fā)器，具有可選的總線保護組件

7.您如何為隔離型RS-485節(jié)點構(gòu)造隔離型電源?

為隔離型RS-485節(jié)點構(gòu)造隔離型電源有幾種可選的方法;最佳解決方案須視具體的應(yīng)用需要而定。

一個選擇是使用TI SN6501這樣的變壓器驅(qū)動器，此種驅(qū)動器可用于具有次級側(cè)變壓器和整流低壓差穩(wěn)壓器(LDO)的推挽式配置。SN6501的功率高達1.5W，可作為隔離型電源。此設(shè)備具有高度靈活性，幾乎可用在所有應(yīng)用中。這是因為變壓器匝數(shù)比能使電源提供必要的隔離電壓和輸出電壓。如果您需要為其他設(shè)備提供隔離電源，則可使用SN6505而不是SN6501，獲得高達5W的輸出功率。SN6505具有額外的保護特性，例如過載和短路、熱關(guān)斷、軟啟動和壓擺率控制等，方便設(shè)計人員構(gòu)筑健全的解決方案。

圖 3：運用SN6501構(gòu)建ISO1410的隔離型電源

另一個針對空間受限應(yīng)用的可選方法是ISOW78xx系列設(shè)備，該系列可在小型塑封集成電路(SOIC)-16封裝中提供信號和電源隔離特性。ISOW7841可與非隔離型RS-485收發(fā)器結(jié)合運用，如帶集成信號和電源參考設(shè)計的隔離型RS-485所示。這種結(jié)合運用占空間小;不需要變壓器，也易于通過認(rèn)證。請參閱ISOW7841線上產(chǎn)品文件夾中的所有文檔，了解詳情。

圖 4：運用ISOW7841打造集成信號和電源的隔離型RS-485

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