新能源領(lǐng)域中的多節(jié)點RS-485總線保護電路應用
[導讀]隨著“碳中和”概念普及，光伏、風力、儲能等行業(yè)再度迎來風口。而作為這些行業(yè)的常用通訊接口，RS-485往往需要添加保護電路來保障通訊穩(wěn)定，本文將為大家介紹一種多節(jié)點環(huán)境的保護電路方案。
隨著“碳中和”概念普及，光伏、風力、儲能等行業(yè)再度迎來風口。而作為這些行業(yè)的常用通訊接口，RS-485往往需要添加保護電路來保障通訊穩(wěn)定，本文將為大家介紹一種多節(jié)點環(huán)境的保護電路方案。
本文將重點介紹RS-485相關(guān)的總線保護電路方案。
常用RS-485保護電路
圖 1 保護電路1
如圖 1所示的保護電路，氣體放電管將接口處的大部分浪涌電流泄放，共模電感濾除共模信號的干擾，TVS進一步降低氣體放電管后的殘壓，從而保護后級電路。RSM485ECHT模塊應用圖 1所示保護電路可以達到接觸靜電±8kV，共模浪涌±4kV，差模浪涌±2kV，滿足大部分工業(yè)現(xiàn)場對RS-485節(jié)點靜電和浪涌等級的要求。
圖 1所示保護電路雖然保護能力較強，但其結(jié)電容較大， A-RGND或B-RGND結(jié)電容為2.5nF左右，當總線上有較多節(jié)點均使用圖 1保護電路進行組網(wǎng)時，總線的電容量較大，信號反射以及信號邊沿趨于平緩使信號質(zhì)量變差，甚至會導致通信異常。
總線電容導致的信號反射問題
當信號在通信線上傳輸，到達RS-485節(jié)點上的保護電路時，保護電路的結(jié)電容使信號受到的瞬時阻抗發(fā)生變化，一部分信號將被反射，另一部分發(fā)生失真并繼續(xù)傳播下去。
圖 2所示為RSM485ECHT單節(jié)點發(fā)送波形，圖 3為RS-485總線接6個保護電路的示意圖，每個節(jié)點之間的距離在30cm左右，使用雙絞線手拉手連接，圖 4和圖 5分別為在總線上接6個圖 1所示電路的波形測試點1和波形測試點6（圖 3中標注的位置）的波形，波形的上升/下降時間變長，并且波形測試點1波形變成了臺階形狀。
圖 2 RSM485ECHT單節(jié)點RS-485接口差分波形
圖 3 總線接6個保護電路連接示意圖
圖 4 RSM485ECHT接6個保護電路波形測試點1波形
圖 5 RSM485ECHT接6個保護電路波形測試點6波形
RSM485ECHT的RS-485接口驅(qū)動能力較強，如下為使用相同測試條件測試市場上常用的RS-485收發(fā)器芯片測試波形，可以看出其波形已被嚴重干擾，且反射波形已到達RS-485芯片門限電平附近，有可能引起通信異常。因此在實際應用中應選擇驅(qū)動能力較強的收發(fā)器。
圖 6 某RS-485收發(fā)器接6個保護電路波形測試點1波形
圖 7 某RS-485收發(fā)器接6個保護電路波形測試點6波形
低結(jié)電容保護電路
當通信節(jié)點數(shù)較多，可以使用如圖 8所示保護電路，其A-RGND或B-RGND的結(jié)電容僅為20pF，雖然TVS結(jié)電容較大，但普通二極管結(jié)電容非常小，TVS與普通二極管的結(jié)電容為串聯(lián)關(guān)系，因此可以減小保護電路的結(jié)電容。使用圖 8進行圖 3所示的組網(wǎng)，測試點1的波形如圖 9所示，測試點6波形如圖 10所示，波形基本未發(fā)生變化。
圖 8 保護電路2（低結(jié)電容）
圖 9 RSM485ECHT接6個保護電路2波形測試點1波形
圖 10 RSM485ECHT接6個保護電路2波形測試點6波形
總結(jié)
總線上掛載的保護電路會使信號受到的瞬時阻抗發(fā)生變化，導致信號反射，當總線上的節(jié)點數(shù)較多，總線的電容量較大，會對總線波形造成干擾，影響通信信號質(zhì)量，因此為減小保護電路對總線通信的影響，在實際應用可以選擇驅(qū)動能力較強的收發(fā)器，并且保護電路若使用圖 1所示保護電路，應選擇低結(jié)電容TVS，也可選擇使用如圖 8所示的低結(jié)電容保護電路。
致遠電子作為國內(nèi)總線隔離領(lǐng)導品牌，經(jīng)過二十年的技術(shù)積累，面向新能源以及工業(yè)領(lǐng)域推出RSM系列隔離收發(fā)器。RSM系列產(chǎn)品能有效解決總線干擾、通信異常等問題。與傳統(tǒng)的設計相比， RSM系列產(chǎn)品內(nèi)置完整的隔離DC-DC電路、信號隔離電路、RS-485總線收發(fā)電路以及總線防護電路，具備高集成度與可靠性，能夠有效幫助用戶提升總線通信防護等級。
“碳中和”是今年飽受熱議的話題，而實現(xiàn)“碳中和”的關(guān)鍵元素之一就是大力發(fā)展新能源。在未來我國生態(tài)文明建設中，新能源中許多細分行業(yè)都會對“碳中和”做出卓越貢獻。比如，光伏發(fā)電、風力發(fā)電、逆變儲能等一系列產(chǎn)業(yè)將迎來蓬勃發(fā)展。
而作為新能源領(lǐng)域中設備間通訊的一種常用接口，RS-485總線在應用中經(jīng)常需要添加外圍保護電路來抵御高等級的靜電或浪涌帶來的影響，保障自身通訊穩(wěn)定。但工程師通常會使用氣體放電管和TVS管搭建防護電路，該電路的結(jié)電容較高，在節(jié)點數(shù)較多時將會影響總線通訊。針對此問題，本文將為大家介紹一種低結(jié)電容的外圍電路設計方案參考。本文將重點介紹RS-485相關(guān)的總線保護電路方案。
常用RS-485保護電路 圖 1 保護電路1
如圖 1所示的保護電路，氣體放電管將接口處的大部分浪涌電流泄放，共模電感濾除共模信號的干擾，TVS進一步降低氣體放電管后的殘壓，從而保護后級電路。RSM485ECHT模塊應用圖 1所示保護電路可以達到接觸靜電±8kV，共模浪涌±4kV，差模浪涌±2kV，滿足大部分工業(yè)現(xiàn)場對RS-485節(jié)點靜電和浪涌等級的要求。
圖 1所示保護電路雖然保護能力較強，但其結(jié)電容較大， A-RGND或B-RGND結(jié)電容為2.5nF左右，當總線上有較多節(jié)點均使用圖 1保護電路進行組網(wǎng)時，總線的電容量較大，信號反射以及信號邊沿趨于平緩使信號質(zhì)量變差，甚至會導致通信異常。
總線電容導致的信號反射問題當信號在通信線上傳輸，到達RS-485節(jié)點上的保護電路時，保護電路的結(jié)電容使信號受到的瞬時阻抗發(fā)生變化，一部分信號將被反射，另一部分發(fā)生失真并繼續(xù)傳播下去。
圖 2所示為RSM485ECHT單節(jié)點發(fā)送波形，圖 3為RS-485總線接6個保護電路的示意圖，每個節(jié)點之間的距離在30cm左右，使用雙絞線手拉手連接，圖 4和圖 5分別為在總線上接6個圖 1所示電路的波形測試點1和波形測試點6（圖 3中標注的位置）的波形，波形的上升/下降時間變長，并且波形測試點1波形變成了臺階形狀。
圖 2 RSM485ECHT單節(jié)點RS-485接口差分波形
圖 3 總線接6個保護電路連接示意圖
圖 4 RSM485ECHT接6個保護電路波形測試點1波形
圖 5 RSM485ECHT接6個保護電路波形測試點6波形
RSM485ECHT的RS-485接口驅(qū)動能力較強，如下為使用相同測試條件測試市場上常用的RS-485收發(fā)器芯片測試波形，可以看出其波形已被嚴重干擾，且反射波形已到達RS-485芯片門限電平附近，有可能引起通信異常。因此在實際應用中應選擇驅(qū)動能力較強的收發(fā)器。
圖 6 某RS-485收發(fā)器接6個保護電路波形測試點1波形 圖 7 某RS-485收發(fā)器接6個保護電路波形測試點6波形
低結(jié)電容保護電路當通信節(jié)點數(shù)較多，可以使用如圖 8所示保護電路，其A-RGND或B-RGND的結(jié)電容僅為20pF，雖然TVS結(jié)電容較大，但普通二極管結(jié)電容非常小，TVS與普通二極管的結(jié)電容為串聯(lián)關(guān)系，因此可以減小保護電路的結(jié)電容。使用圖 8進行圖 3所示的組網(wǎng)，測試點1的波形如圖 9所示，測試點6波形如圖 10所示，波形基本未發(fā)生變化。
圖 8 保護電路2（低結(jié)電容）
圖 9 RSM485ECHT接6個保護電路2波形測試點1波形
圖 10 RSM485ECHT接6個保護電路2波形測試點6波形
總結(jié)總線上掛載的保護電路會使信號受到的瞬時阻抗發(fā)生變化，導致信號反射，當總線上的節(jié)點數(shù)較多，總線的電容量較大，會對總線波形造成干擾，影響通信信號質(zhì)量，因此為減小保護電路對總線通信的影響，在實際應用可以選擇驅(qū)動能力較強的收發(fā)器，并且保護電路若使用圖 1所示保護電路，應選擇低結(jié)電容TVS，也可選擇使用如圖 8所示的低結(jié)電容保護電路。
致遠電子作為國內(nèi)總線隔離領(lǐng)導品牌，經(jīng)過二十年的技術(shù)積累，面向新能源以及工業(yè)領(lǐng)域推出RSM系列隔離收發(fā)器。RSM系列產(chǎn)品能有效解決總線干擾、通信異常等問題。與傳統(tǒng)的設計相比， RSM系列產(chǎn)品內(nèi)置完整的隔離DC-DC電路、信號隔離電路、RS-485總線收發(fā)電路以及總線防護電路，具備高集成度與可靠性，能夠有效幫助用戶提升總線通信防護等級。
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波特率支持：500Kbps，115.2Kbps，9.6Kbps等；
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節(jié)點數(shù)量：256個、128個、32個等；
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通道數(shù)量：單路、雙路、四路等；
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工作溫度：-40~85℃或-40~105℃；
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隔離電壓：2500VDC或3500VDC；
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Mini小體積或標準模塊化封裝；
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外殼及灌封材料符合UL94 V-0標準；
- 具有低電磁輻射和高抗電磁干擾性。
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