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幾種實現(xiàn)485隔離的方案

 RS485總線是一種使用平衡發(fā)送,差分接收實現(xiàn)通訊的通用串口通信總線,由于其具有抗共模干擾能力強(qiáng)、成本低、抗噪能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率高、可連接多達(dá)256個收發(fā)器等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于工業(yè)智能儀表,通訊設(shè)備等各個領(lǐng)域。

RS485電路可以分為非隔離型和隔離型。隔離型電路是在非隔離型電路的基礎(chǔ)上增加隔離性能,使得電路具有更強(qiáng)的抗干擾性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。下面主要圍繞隔離型485電路進(jìn)行簡單介紹。

一.什么情況需要485隔離

?  當(dāng)485通信接口外部節(jié)點(diǎn)連接高壓時,極易損壞后端電路,甚至可能會在使用端產(chǎn)生觸電;

?  當(dāng)485通信節(jié)點(diǎn)距離太遠(yuǎn)時,每個節(jié)點(diǎn)的參考地都接于本地的大地,當(dāng)兩端大地之間存在較大的壓差時,地電勢會以共模電壓的方式疊加在信號線上,從而有可能超出端口可承受的共模電壓范圍,影響正常通信,甚至?xí)p壞后端電路

?  當(dāng)距離較遠(yuǎn)的485通信節(jié)點(diǎn)之間的地平面利用線纜進(jìn)行連接時(如485屏蔽電纜),地線會和大地形成地環(huán)路,該環(huán)路會耦合外部共模噪聲,并產(chǎn)生地環(huán)路電流,可能會導(dǎo)致整個電路系統(tǒng)失效。  

二.實現(xiàn)485隔離的具體方案

為了避免上述情況發(fā)生,我們可以使用485隔離電路以實現(xiàn)。下面介紹幾種常用485電路隔離方案。

?  利用光耦隔離實現(xiàn)485隔離

最早的隔離器件為光耦隔離器。在基于CMOS的數(shù)字隔離器開發(fā)成功以前,市面上所有的隔離器件均為光耦隔離器件。下圖為使用傳統(tǒng)三個光耦隔離器實現(xiàn)的485隔離電路。

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圖1 基于光耦隔離的485隔離電路

?  利用光耦+數(shù)字隔離實現(xiàn)485電路隔離

 由于普通的光耦隔離芯片只能適用于通訊速率較低的情況,那么在高速信號傳輸電路中,485使能信號可繼續(xù)使用光耦隔離器件對進(jìn)行隔離,而數(shù)據(jù)信號通路則可使用高速數(shù)字隔離芯片NSi8121N1實現(xiàn)。相較于傳統(tǒng)光耦電路,系統(tǒng)傳輸速率提高,且降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。下圖為利用光耦隔離和數(shù)字隔離共同實現(xiàn)的485隔離電路

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圖2 基于光耦隔離和數(shù)字隔離的485隔離電路

?  利用數(shù)字隔離器實現(xiàn)485電路隔離

只要有光耦隔離存在,就會有使用壽命短、抗共模能力弱、功耗高等缺點(diǎn),仍極大的限制電路使用場景,而隔離電路全部使用數(shù)字隔離器能很好的避免這些問題。下面是使用NSi8131N1芯片實現(xiàn)的485隔離電路。

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圖3 基于數(shù)字隔離的485隔離電路

?  利用NOVOSENSE 集成隔離485芯片實現(xiàn)485電路隔離

相較于上述三種利用復(fù)雜外圍電路實現(xiàn)485電路隔離的方案,NSi8308x系列芯片僅需單顆芯片即可實現(xiàn)485隔離,并且提高了系統(tǒng)的可靠性,穩(wěn)定性。NSi8308x系列芯片是蘇州納芯微電子推出的隔離型485芯片,內(nèi)部集成了一個三通道電容隔離及一個485收發(fā)器,其中NSi83085用于半雙工485隔離,更高可達(dá)500kbps通信速率,同時具有低擺率的特點(diǎn),能夠減少EMI輻射以及由于終端匹配不當(dāng)引起的反射;NSi83086用于全雙工485隔離,更高可達(dá)16Mbps通信速率,可極大的減小系統(tǒng)PCB面積,簡化系統(tǒng)方案設(shè)計,提高系統(tǒng)的可靠性。NSi8308x的總線接口具有±16kV的系統(tǒng)級接觸放電ESD保護(hù)能力。具有失效保護(hù)電路,當(dāng)接收器輸入開路、短路或者總線空閑時,接收器將輸出邏輯高電平。接收器的輸入阻抗為1/8單位負(fù)載,允許多達(dá)256個收發(fā)器掛在總線上。輸出驅(qū)動器提供了超大輸出電壓擺幅,從而保證了更高的噪聲容限。

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圖4 集成式485隔離電路

三.幾種485隔離電路對比

下面是針對上述幾種485隔離方案的各項指標(biāo)對比

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圖5 幾種485隔離電路面積對比

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表1 幾種485隔離電路性能對比

四.485 EMC保護(hù)電路

雖然隔離能有效抑制高共模電壓,但總線上還可能存在浪涌、雷擊及短路等問題存在,所以在EMC等級要求比較高的系統(tǒng)中,需要在總線上再采取一定的保護(hù)措施。NSi8308x的總線接口具有±16kV的系統(tǒng)級接觸放電ESD保護(hù)能力??缭礁綦x帶的浪涌能力能夠達(dá)到+-8kV。具有失效保護(hù)電路,當(dāng)接收器輸入開路、短路或者總線空閑時,接收器將輸出邏輯高電平。如果有更高的EMC保護(hù)需求,也可以通過增加外圍電路來提高。給你介紹一種以NSi83085為例實現(xiàn)更高的 485EMC保護(hù)電路的方法。下圖以NSi83085為例介紹一種實現(xiàn)485 EMC保護(hù)電路的方法。

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圖6  485 EMC保護(hù)電路

 NSi8308x具有內(nèi)部失效保護(hù)電路,當(dāng)接收器輸入開路或短路、或者掛在終端匹配總線上的所有發(fā)送器都禁用時,接收器將輸出邏輯高電平;此外,/RE及DE引腳有內(nèi)置下拉電阻,D引腳有內(nèi)置上拉電阻。因此,在所有輸入引腳及總線上無需加任何上下拉電阻即可保證發(fā)送、接收狀態(tài)確定。在A、B總線之間加一個120Ω電阻用以終端阻抗匹配,只有通訊距離較長的系統(tǒng)中的個節(jié)點(diǎn)和最后一個節(jié)點(diǎn)才會加這個匹配電阻。

當(dāng)外部瞬態(tài)大電壓/電流信號(如雷擊)感應(yīng)到A、B線上時,先經(jīng)過保險絲,防止當(dāng)RS-485總線與電源線搭短路時燒掉后續(xù)電路;然后用氣體放電管(GDT)進(jìn)行初級防護(hù),將高壓信號降低到1kV以下,通常GDT可以承受10kA(8x20us)浪涌沖擊;然后TVS作為二級保護(hù),將總線電平鉗制到7.5V以下。由于GDT響應(yīng)時間較長,在一級防護(hù)和二級防護(hù)之間需再加TBU器件,以限制GDT未響應(yīng)時會有過流信號燒壞TVS管。通常,對于4kV以下過電壓,可以省去初級保護(hù)GDT,單用TVS就能實現(xiàn)浪涌保護(hù)的要求。

五.總結(jié)

 隔離型485電路可有效將系統(tǒng)中高壓區(qū)域與安全區(qū)域隔離,以保證設(shè)備及人身安全;并斷開長距離傳輸信號的地回路,以避免地環(huán)路和共模信號的影響,因而越來越多的應(yīng)用于485系統(tǒng)中。

 蘇州納芯微的半雙工隔離RS-485芯片NSi83085及全雙工隔離RS-485芯片NSi83086具有高可靠性、高隔離耐壓、高共模抗擾、以及高集成度的特點(diǎn),其能夠承受較為復(fù)雜的EMC環(huán)境,如ESD、EFT、浪涌等;隔離耐壓值可達(dá)到符合UL1577標(biāo)準(zhǔn)的5kVrms,CMTI達(dá)到150kV/us;內(nèi)部集成了數(shù)字隔離和RS-485驅(qū)動兩種功能設(shè)計,可大幅簡化系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜度,并減少系統(tǒng)PCB的面積,是實現(xiàn)485隔離的更佳選擇。