不僅僅是隔離——適應(yīng)嚴(yán)苛環(huán)境要求的隔離RS485/422收發(fā)器

RS485/422作為一種多節(jié)點(diǎn)、易組網(wǎng)的通訊接口，被廣泛應(yīng)用于儀器儀表、安防、交通、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域中。由于RS485/422的實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境都比較復(fù)雜，再加上操作人員接線方式或使用傳輸線纜的不正確，經(jīng)常導(dǎo)致RS485/422在實(shí)際使用過(guò)程中都會(huì)受到比較大的干擾，尤其是共模噪聲、接地電位差、接線錯(cuò)誤和高壓瞬變，如靜電放電 (ESD)、電快速瞬變 (EFT) 和雷電浪涌，這些威脅可能干擾通信，甚至導(dǎo)致永久性損壞。嚴(yán)苛的環(huán)境必然對(duì)器件的可靠性，魯棒性提出了更高的要求。

--icoupler隔離技術(shù)提高可靠性

RS-485/422差分通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常用于惡劣環(huán)境下的工業(yè)和儀器應(yīng)用中。這些網(wǎng)絡(luò)能在高達(dá)1200m的范圍內(nèi)進(jìn)行通信。在惡劣環(huán)境下進(jìn)行長(zhǎng)距離通信時(shí)，可能出現(xiàn)以下問(wèn)題：

a   由于不同節(jié)點(diǎn)的地電位不同而引起接地環(huán)路電流干擾；

b   電機(jī)、電感轉(zhuǎn)換負(fù)載和其他高噪聲電氣設(shè)備造成感應(yīng)接地噪聲；

c   有害電涌。

如果無(wú)法保證系統(tǒng)中不同節(jié)點(diǎn)的地電位不會(huì)超出收發(fā)器的共模范圍，那么電流隔離不失為一種理想的解決方案。電流隔離不阻止信息流，但阻止電流涌動(dòng)。通過(guò)電源隔離和內(nèi)部信號(hào)隔離可以避免此類(lèi)故障發(fā)生，使用隔離收發(fā)器后，可有效防止地環(huán)路形成，總線參考地可以跟隨共模電壓的波動(dòng)而波動(dòng)，共模電壓全部由隔離帶承受，共模電壓對(duì)總線信號(hào)變得不再可見(jiàn)，從而保證總線能夠穩(wěn)定可靠地通信。

對(duì)于共模噪聲的抑制，以往很多方案采用光電隔離的方案，但該方案存在體積大、電路分離元件多、電路復(fù)雜、系統(tǒng)不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。ADI推出的單芯片RS485/422隔離器，采用ADI獨(dú)有的icoupler磁隔離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在芯片內(nèi)通過(guò)變壓器進(jìn)行脈沖耦合調(diào)制，這是與光耦合器中采用的發(fā)光二極管(LED)和光電二極管對(duì)比的不同之處。與傳統(tǒng)的光電隔離器件相比，icoupler磁隔離器件消除了與光耦合器相關(guān)的不確定的電流傳送比率、非線性傳送特性以及隨時(shí)間漂移和隨溫度漂移問(wèn)題；功耗降低了90％；無(wú)需外部驅(qū)動(dòng)器或分立器件，尤其在體積與集成度方面更具有光電隔離無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

圖1 ADM磁隔離原理

--不僅僅是隔離

除了隔離技術(shù)以外，惡劣的使用環(huán)境和高可靠性要求要求收發(fā)器必須具有更好的EMC抗干擾和保護(hù)功能。

與ADI合作三十余年的技術(shù)分銷(xiāo)商——Excelpoint世健公司的應(yīng)用工程師Kayden Wang向我們介紹了ADI一款適合惡劣工業(yè)環(huán)境及高可靠性要求的RS485/422收發(fā)器——ADM2795E。這是一款5 kV rms信號(hào)隔離RS-485/422收發(fā)器，該器件集成ADI公司的iCoupler^? 技術(shù)，將三通道隔離器、RS-485收發(fā)器和符合IEC電磁兼容性(EMC)瞬變保護(hù)集成于單體封裝中。具有±25 V的擴(kuò)展共模輸入范圍，可提高高噪聲環(huán)境下的數(shù)據(jù)通信可靠性。同時(shí)可選擇-55°C至+125°C的寬溫增強(qiáng)型號(hào)。

圖2 ADM2795E功能框圖

?   通過(guò)IEC認(rèn)證的EMC 性能

工業(yè)自動(dòng)化里的可編程邏輯控制器 (PLC)通信端口通常使用 RS-485 接口，這些端口可能經(jīng)受較大的共模噪聲、接地電位差、接線錯(cuò)誤和高壓瞬變，如靜電放電 (ESD)、電快速瞬變 (EFT)和雷電浪涌（Surge）。

ADM2795E可提供完整的系統(tǒng)級(jí)解決方案，該方案符合IEC-61000浪涌、EFT和ESD標(biāo)準(zhǔn)，以及對(duì)傳導(dǎo)、輻射和磁場(chǎng)干擾的抗擾度，這些干擾在工業(yè)環(huán)境中很常見(jiàn)。隔離魯棒性和EMC保護(hù)的集成大幅節(jié)省了印刷電路板 (PCB)空間，以供通信端口接口使用。

ADM2795E的相關(guān)EMC 認(rèn)證性能：

?   RS-485 A 和 B 總線引腳提供 4 級(jí) EMC 認(rèn)證保護(hù)

?   IEC 61000-4-5 浪涌保護(hù) (±4 kV)

?   IEC 61000-4-4 EFT 保護(hù) (±2 kV)

?   IEC 61000-4-2 ESD 保護(hù)

?   接觸放電：±8 kV

?   氣隙放電：±15 kV

?   IEC 61000-4-6 傳導(dǎo)射頻抗擾度 (10 V/m rms)

?   經(jīng)認(rèn)證的 IEC 61000 隔離柵抗擾度

?   IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4 EFT、IEC 61000-4-5 浪涌、IEC 61000-4-6 傳導(dǎo)射頻抗擾度、IEC 61000-4-3 輻射抗擾度、IEC 61000-4-8 磁場(chǎng)抗擾度

圖3 ADM2795E的集成IEC 61000-4-5認(rèn)證浪涌解決方案，為設(shè)計(jì)師顯著節(jié)省了PCB面積

IEC 61000-4-6 傳導(dǎo)射頻抗擾度、IEC 61000-4-3 輻射抗擾度、IEC 61000-4-8 磁場(chǎng)抗擾度的通過(guò)更是保證了產(chǎn)品對(duì)日趨嚴(yán)格的電磁兼容的要求。

?   通信接口卓越的防雷保護(hù)性能

防雷設(shè)計(jì)一直是一些工程師比較頭痛的地方。使用旁路保護(hù)方法利用瞬態(tài)抑制元件（如TVS、MOV、氣體放電管等）將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地，優(yōu)點(diǎn)是成本較低，缺點(diǎn)是保護(hù)能力有限，只能保護(hù)一定能量以內(nèi)的瞬態(tài)干擾，持續(xù)時(shí)間不能很長(zhǎng)，而且需要有一條良好的連接大地的通道，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。并且一些針對(duì)防雷設(shè)計(jì)的TVS體積并不小，價(jià)格也偏高。ADM2795E-EP將隔離和內(nèi)部保護(hù)結(jié)合起來(lái)加以運(yùn)用。在這種方法中，隔離接口對(duì)大幅度雷電干擾進(jìn)行隔離，保護(hù)器件則保護(hù)隔離接口不被過(guò)高的瞬態(tài)電壓擊穿。

一些高可靠性要求的電子設(shè)備中在使用過(guò)程中可能會(huì)遭受雷擊，DO-160G標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)載設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn)程序》是通用航空電子硬件的環(huán)境測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。許多飛機(jī)制造商將DO-160G第22節(jié)“雷擊感應(yīng)瞬態(tài)敏感性”指定為關(guān)鍵系統(tǒng)的要求。

? 相關(guān)電子設(shè)備防雷保護(hù)要求

DO-160G第22節(jié)防雷標(biāo)準(zhǔn)模擬了直接雷擊浪涌通過(guò)飛機(jī)機(jī)身產(chǎn)生的磁場(chǎng)在航空電子設(shè)備中引起的瞬態(tài)電壓和電流。表1顯示對(duì)于波形3和波形4/波形1，商業(yè)飛機(jī)通常需要DO-160G第22節(jié)的1級(jí)到4級(jí)防雷保護(hù)。飛機(jī)設(shè)備劃分為三類(lèi)區(qū)域，每類(lèi)區(qū)域都有相關(guān)的電磁兼容性 (EMC) 環(huán)境。最?lèi)毫拥腅MC環(huán)境位于A類(lèi)和B類(lèi)區(qū)域。

表1 DO-160G第22節(jié)針對(duì)商業(yè)飛機(jī)的典型防雷要求

ADM2795E-EP是ADM2795的增強(qiáng)型號(hào)，在高可靠性要求的惡劣應(yīng)用環(huán)境中工作時(shí)可減少系統(tǒng)故障。ADM2795E-EP具有如下重要特性：

?   具有增強(qiáng)DO-160G EMC抗干擾的魯棒性。

?   工作溫度范圍：?55°C至+125°C。

?   引線框：為減輕錫須問(wèn)題，ADM2795E-EP采用鎳/鈀/金 (NiPdAu) 引線框表面處理。

?   生產(chǎn)：通過(guò)單處理流程基線制造的增強(qiáng)產(chǎn)品。

ADM2795E-EP在RS-485總線引腳上集成了經(jīng)過(guò)全面認(rèn)證的DO-160G EMC保護(hù)，可提供第22節(jié)所述的防雷保護(hù)。ADM2795E-EP還提供第25節(jié)所述的±15 kV靜電放電 (ESD) 氣隙放電保護(hù)。對(duì)于第22節(jié)的防雷要求，ADM2795E-EP可防范波形3、波形4/波形1和波形5A：對(duì)GND2的測(cè)試，使用33 Ω或47 Ω限流電阻時(shí)可達(dá)到4級(jí)要求；對(duì)GND1的測(cè)試，隔離柵上可達(dá)到4級(jí)要求。DO-160G標(biāo)準(zhǔn)的波形形狀和上升/下降時(shí)間顯著長(zhǎng)于IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，如圖4所示。DO-160G第22節(jié)防雷標(biāo)準(zhǔn)涉及的能量非常高，ADM2795E-EP 的可靠性設(shè)計(jì)保護(hù)器件免受這些極端瞬變影響。

圖4 DO-160G第22節(jié)波形1和波形5A及IEC61000-4-5浪涌波形

?   故障過(guò)壓保護(hù)和±42 V 接線錯(cuò)誤保護(hù)

ADM2795E在 ±25 V 的整個(gè)擴(kuò)展共模工作范圍內(nèi)受故障保護(hù)。并且驅(qū)動(dòng)器輸出和接收器輸入受–42V至+42 VAC/DC 峰值范圍內(nèi)的任何電壓的短路保護(hù)。故障狀態(tài)中的最大電流為 ±250 mA。RS-485 驅(qū)動(dòng)器包括折返限流電路，該電路可減小電壓超出收發(fā)器的 ±25 V 共模范圍限制時(shí)的驅(qū)動(dòng)器電流。折返特性引起的這一電流減少可實(shí)現(xiàn)更好的功耗和熱效應(yīng)管理。

ADM2795E 在未安裝 RS-485 端接或總線偏置電阻的總線上運(yùn)行時(shí)將受到高壓接線錯(cuò)誤保護(hù)。典型的接線錯(cuò)誤為高壓24VAC/DC電源直接連接至 RS-485 總線引腳連接器。ADM2795E 可在RS-485總線引腳上承受相對(duì)于GND2峰值高達(dá)±42V的接線錯(cuò)誤故障而不損壞。在A和B總線引腳上確保接線錯(cuò)誤保護(hù)，且在連接器和總線引腳進(jìn)行熱插拔時(shí)確保該保護(hù)。

-支持案例

Kayden Wang在之前幫助世健客戶排除故障的過(guò)程中就遇到過(guò)類(lèi)似問(wèn)題。客戶在產(chǎn)品調(diào)試期間出現(xiàn)了RS485通訊故障和顯示屏黑屏現(xiàn)象。Kayden在和客戶一起排除故障的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)客戶使用的收發(fā)器是某品牌的非隔離RS485收發(fā)器。

由于交聯(lián)的大功率器件在啟動(dòng)過(guò)程中，啟動(dòng)電流通過(guò)電纜上的分布電容及電感耦合產(chǎn)生的電壓傳導(dǎo)至產(chǎn)品內(nèi)部地線，造成RS485總線與地線的瞬時(shí)電壓過(guò)高（此RS485收發(fā)器能夠承受共模電壓最大范圍（-7V～+12V），使收發(fā)器發(fā)送引腳與參考地?fù)舸┎⒍搪罚瑢?dǎo)致RS485通訊失效。

RS485收發(fā)器與產(chǎn)品微控制器通過(guò)同一組+3.3V電源供電，電源正常范圍為2.7V～3.6V，同時(shí)產(chǎn)品內(nèi)部27VDC與3.3V電源共地，當(dāng)功率器件斷開(kāi)時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓通過(guò)27VDC地線傳導(dǎo)至產(chǎn)品內(nèi)部地且收發(fā)器已損壞，導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部3.3V電源與地之間的壓差低于2.7V，使微控制器短時(shí)復(fù)位，并進(jìn)一步導(dǎo)致黑屏。

針對(duì)此故障現(xiàn)象，結(jié)合客戶對(duì)EMC和防雷設(shè)計(jì)的要求，Kayden推薦客戶使用ADM2795E+ADuM6028（隔離供電）的方案。如圖5所示，后經(jīng)對(duì)測(cè)試板的測(cè)試，對(duì)收發(fā)器的輸出引腳和地線施加共模脈沖，幅值調(diào)整范圍為（-10V～+15V），用檢測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)產(chǎn)品內(nèi)部3.3V電源和輸出信號(hào)，產(chǎn)品通訊正常，系統(tǒng)穩(wěn)定。后續(xù)也順利通過(guò)各種EMC測(cè)試和防雷試驗(yàn)。該客戶的通訊端口可靠性得到大幅提高。

圖5 2.5 Mbps,5 kV信號(hào)和電源隔離RS-485方案（±42V故障保護(hù)和Level4EMC保護(hù)）

ADM2795E集成化的完整的系統(tǒng)級(jí)解決方案可適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)案例證明，ADM2795E不僅可以提高RS485/422通訊的可靠性，而且電路也十分簡(jiǎn)單。