詳析如何在RS-485節(jié)點(diǎn)中隔離信號(hào)和電源

RS-485節(jié)點(diǎn)中隔離信號(hào)和電源，為實(shí)現(xiàn)最佳配置，針對(duì)小尺寸、低功耗、數(shù)據(jù)速率、EMI和物料成本等系統(tǒng)要求，帶來(lái)設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)。光耦合器等傳統(tǒng)的分立解決方案存在失效壽命方面的問(wèn)題，而且光耦合器技術(shù)本身的物理特性決定了每通道隔離的功耗較高，業(yè)界就這些問(wèn)題已有詳細(xì)論述。

此外，光耦合器技術(shù)的成本會(huì)隨著數(shù)據(jù)速率提高而大幅度提高，制造復(fù)雜度也會(huì)隨著器件數(shù)量增加而提高。分立式隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)需要設(shè)計(jì)人員具備變壓器設(shè)計(jì)知識(shí)，能夠?qū)⒏綦xDC/DC轉(zhuǎn)換器的其它電源器件與變壓器匹配。設(shè)計(jì)易受這些器件相關(guān)的寄生電阻、電感和電容影響。幸運(yùn)的是，如今有了新型高集成度隔離式收發(fā)器解決方案，能夠解決這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

過(guò)去七年來(lái)，ADI開(kāi)發(fā)出了一系列創(chuàng)新的集成式隔離RS-485收發(fā)器，它們集ADI先進(jìn)的RS-485接口技術(shù)與iCoupler?數(shù)字信號(hào)隔離技術(shù)于一體，最近還結(jié)合了ADI的isoPower?隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)。這些隔離式收發(fā)器產(chǎn)品設(shè)計(jì)用于惡劣環(huán)境下的眾多應(yīng)用，例如：工業(yè)自動(dòng)化、太陽(yáng)能和風(fēng)能、儀器儀表、電力線監(jiān)控等。使用該系列產(chǎn)品的工業(yè)通信協(xié)議包括Profibus、Interbus、Modbus、BacNet等。

該系列集成式隔離RS-485/422收發(fā)器根據(jù)電源鏈的系統(tǒng)分割，尤其是隔離總線側(cè)電壓源，為設(shè)計(jì)人員提供最佳的集成解決方案選擇。

針對(duì)隔離RS-485節(jié)點(diǎn)的電源鏈分割，ADI大致提供三類(lèi)解決方案：

完全集成的信號(hào)和電源隔離RS-485/422解決方案

集成信號(hào)隔離和集成變壓器驅(qū)動(dòng)器（部分電源鏈集成）

支持靈活選擇總線側(cè)電壓源的信號(hào)隔離式RS-485/RS-422收發(fā)器

圖1. 典型的RS-483/RS-422隔離

圖1顯示了ADI ADM2587E的緊湊配置，它是一款集成式信號(hào)和電源隔離RS-485收發(fā)器。如此高的集成度通過(guò)ADI的iCoupler?和isoPower隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)，二者的結(jié)合使這款產(chǎn)品具備出色的性能，比傳統(tǒng)解決方案更易使用、尺寸更小，相同RS-485負(fù)載所需的輸入功率更低。ADM2587E/ADM2582E信號(hào)和電源隔離RS-485收發(fā)器采用20引腳寬體SOIC封裝，是業(yè)界小尺寸的解決方案；也是兼容大規(guī)模表貼制造技術(shù)的集成式信號(hào)和電源隔離RS-485/RS-422收發(fā)器。對(duì)于設(shè)計(jì)時(shí)間緊迫、設(shè)計(jì)尺寸受限的客戶(hù)，這些產(chǎn)品堪稱(chēng)理想之選。

2007年，ADI推出小尺寸的Profibus兼容信號(hào)隔離RS-485收發(fā)器ADM2485，它集成變壓器驅(qū)動(dòng)器，并采用16引腳寬體SOIC封裝。ADM2485是ADI提供的集成變壓器驅(qū)動(dòng)器功能的三款隔離式RS-485收發(fā)器中的一款。圖2顯示ADM2485驅(qū)動(dòng)變壓器的原邊，向總線側(cè)電路輸送隔離電源。

圖2. 帶電源的RS-485/RS-422隔離

圖2所示的配置具有很高的效率，5 V輸入電源下的典型效率為81%，適合具有嚴(yán)格溫度限制的設(shè)計(jì)。外部變壓器支持DC/DC轉(zhuǎn)換器以500 kHz頻率工作，這為輻射要求非?？量痰脑O(shè)計(jì)提供了一種低EMI解決方案。對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，圖1和圖2所示解決方案的主要區(qū)別在于：前者尺寸更小、易于使用，后者則提供更高的效率和頻率更低的輻射頻譜。

在典型的可編程邏輯控制器設(shè)計(jì)中，I/O和通信端口需要多種多樣的隔離電源。這就要求定制電源，從同一變壓器內(nèi)核產(chǎn)生多個(gè)隔離電源，如±15 V、5 V和3.3 V電源。這種情況下，最經(jīng)濟(jì)的選擇是僅集成信號(hào)隔離的隔離式RS-485收發(fā)器，例如隔離式Profibus兼容型RS-485收發(fā)器ADM2486，從而既能靈活地選擇現(xiàn)有5 V或3.3 V隔離電源，也能利用變壓器上的單獨(dú)繞組來(lái)產(chǎn)生總線側(cè)隔離電壓。圖3所示為一個(gè)簡(jiǎn)化的分立DC/DC轉(zhuǎn)換器，它說(shuō)明了這種配置如何配合ADM2486收發(fā)器使用。

圖3. 帶電源和外部開(kāi)/關(guān)功能的RS-485/RS-422隔離

ADI的隔離式RS-485/RS-422收發(fā)器系列產(chǎn)品還提供最高達(dá)20 Mbps的多種數(shù)據(jù)速率，一條總線上最多可連接256個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且提供半雙工和全雙工工作模式。此外，該系列集成式隔離RS-485收發(fā)器全都通過(guò)UL、VDE認(rèn)證，CSA認(rèn)證可應(yīng)要求提供。根據(jù)產(chǎn)品的隔離額定值（2.5 kV rms或5 kV rms），這些產(chǎn)品100%經(jīng)過(guò)3000V rms或6000 V rms生產(chǎn)測(cè)試。

ADI公司的集成式RS-485隔離型收發(fā)器產(chǎn)品組合提供良好的靈活性和性能，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，與光耦合器方法相比具有許多優(yōu)勢(shì)。iCoupler變壓器技術(shù)自2001年投入量產(chǎn)，出貨量已超過(guò)40億通道，其可靠性毋庸置疑。iCoupler的使用壽命超過(guò)50年，不存在傳統(tǒng)的損耗問(wèn)題，而這一點(diǎn)正是光耦隔離技術(shù)的根本缺陷。