电子博客LOGO 电子博客
首页 关于
广告1

在RS-485系统中隔离信号和电源

  【2022.10.26.】

  引言
  电信行业协会 (TIA) 和电子工业联盟 (EIA) 的RS-485通信标准建立于二十年前,已被广泛应用于各种应用领域。RS-485是在距离1000米远的两地之间进行可靠通信的理想标准,因为它采用双绞线来发送差分信号。
  对于电机控制、工厂自动化、电网基础设施和其他可能存在高压的系统,高压和低压域之间的通信需要隔离RS-485系统的节点。隔离RS-485节点可保护电路,在某些情况下还可以保护操作人员免受高压和任何有害的电压瞬变的影响。用于保护操作人员免受高压影响的隔离称为增强型隔离,相当于将两个功能隔离栅串联在一起。RS-485系统中还使用了电气隔离的方式,以防止接地回路产生噪声,从而干扰 RS-485 总线通信。
  隔离信号和电源以实现这些系统级优势的方法有很多,本文介绍了可用于隔离RS-485节点的不同解决方案,并权衡了它们之间的利弊。

  信号隔离
  对于RS-485系统,有两种常见的隔离信号的方法。第一种方法是数字隔离器和RS-485收发器的分立式解决方案。在该解决方案中,启用(RE、DE)、发送 (D) 和接收 (R) 信号通过MCU和RS-485收发器之间的数字隔离器(例如 ISO7741)进行隔离。图1展示了这种解决方案的一个示例,其中采用了ISO7741和一个RS-485收发器(如 THVD1410)。分立式解决方案的一项主要优势是能够灵活地为特定应用选择理想收发器。然而,由于采用了多芯片方案,其缺点是需要额外的布板空间。

图1
  图1. 采用ISO7741和THVD1410分立实现隔离式RS-485

  第二种方法是采用集成式解决方案,将数字隔离器和RS-485收发器组合在一个封装中。ISO1410在单个封装中集成了ISO7741的堆芯隔离技术以及THVD1410收发器。堆芯隔离技术能够实现1500Vpk的持续工作电压、增强的5kVrms隔离等级和100kV/us的典型共模瞬变抗扰度 (CMTI)。集成的收发器通过Profibus合规性、16kV IEC静电放电 (ESD) 和4kV IEC电快速瞬变脉冲群 (EFT) 在总线上提供高抗噪性,以确保即使在工厂车间等高噪声环境中也能进行可靠通信。与分立式解决方案相比,ISO1410还具有可支持更广的逻辑侧电源这一额外优势,支持1.71V至5.5V以实现较低逻辑电平的MCU电源和3V至5.5V的总线侧电源。
  通过将隔离器与收发器组合到一个封装中,该解决方案相比分立式解决方案减少了系统级布板空间。图2所示为如何用ISO1410替代图1的分立式解决方案。

图2
  图2. 采用ISO1410的隔离式RS-485的集成式解决方案

  电源隔离
  无论选择哪种方法来隔离RS-485信号,都需要一个隔离式电源为数字隔离器的次级侧以及RS-485收发器或隔离式RS-485器件供电。提供隔离式电源的第一种解决方案如图3所示,其中变压器驱动以及SN6501与一个外部变压器和LDO一同为ISO1410提供隔离电源。该解决方案还可以与分立式方案一同用于信号隔离。
  该解决方案的优势在于它可实现超过80%的效率,并且可选择变压器和LDO以根据具体设计考虑进行优化。SN6501可提供最高1.5W的功率,如果其他器件需要隔离式电源,则可替换为功率高达5W的SN6505。

图3
  图3. 采用ISO1410和SN6501变压器驱动器的RS-485信号和电源隔离解决方案

  隔离式电源的替代解决方案是使用带有集成直流/直流转换器的隔离式RS-485收发器,例如ISOW1412或ISOW1432。该系列器件提供单芯片解决方案,在单个20-SOIC封装中实现隔离器、收发器和隔离式直流/直流转换器的功能。图4所示为采用ISOW1412的完整信号和电源隔离解决方案。

图4
  图4. 采用ISOW1412的RS-485信号和电源隔离解决方案

  ISOW14xx系列的优势在于它无需在电路板上安装变压器,从而减小电路板尺寸,并且仅需一个单独的隔离式元件就可以轻松进行认证。这种小型解决方案在效率上就有所折衷,因为集成到芯片中的变压器提供最高47%的典型效率。采用集成电源解决方案时,由于变压器尺寸更小,开关频率更高,因此与分立式解决方案相比辐射会更高。虽然辐射高于SN650x解决方案, ISOW14xx系列的设计确保能够在两层PCB上仅使用两个铁氧体磁珠就满足CISPR 32 B类设备辐射限制要求。

  结论
  选择合适的元件对于隔离式RS-485系统的设计来说至关重要。选择分立式还是集成式解决方案取决于尺寸、设计的简易性与效率、辐射之间的权衡。隔离式电源的分立式实现可提供更高效率和更低辐射,而集成解决方案为空间敏感型应用提供了一个紧凑而简单的解决方案。

  相关文档
  《数字隔离器设计指南》PDF版

  下一篇:
  新型2.0kV级LV100 IGBT模块
  推荐阅读:
  汽车LIN接口的新机遇
  在CAN系统中隔离信号和电源
  在I2C系统中隔离信号和电源
  数字隔离器设计指南(1)
  ISO7041-Q1中文数据手册
广告2
©2022至今 电子博客版权所有