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                                  如何隔离RS485系统的信号和电源

                                  2021-01-19 03:23:10 发表

                                  简介:用于RS-485通信的电信行业协会(TIA)和电子行业联盟(EIA)标准成立于二十年前,已被广泛用于各种应用。RS-485是1000米长距离可靠通信的理想标准,因为它采用双绞线结构来发送差分信号。 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电压的系统,高电压域和低电压域之间的通信需要隔离RS-485系统的节点。隔离RS-485节点可以保护电路,在某些情况下还可以保护操作人员免受高电压和任何不想要的瞬变的影响。用于保护操作人员免受高电压影响的隔离称为强化隔离,相当于串联两个功能隔离栅。RS-485系统中还使用电流隔离来防止可能导致干扰RS-485总线通信的噪声的接地环路。 有多种方法可用于隔离信号和电源,以实现这些系统级优势。本文介绍了隔离RS-485节点的不同解决方案,并解释了它们之间的权衡。

                                  信号隔离:RS-485系统有两种常用的信号隔离方法。第一种方法是数字隔离器和RS-485收发器的分立解决方案。在这种解决方案中,使能、发射和接收信号通过数字隔离器隔离,如微控制器和RS-485收发器之间的ISO7741。图1显示了这种解决方案的一个例子,包括ISO7741和RS-485收发器,如THVD1410。分立解决方案的一个主要优势是可以灵活选择适合特定应用的最佳收发器。然而,分立解决方案的缺点是多芯片解决方案需要额外的电路板空间。

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                                  图1.用ISO7741和THVD1410实现隔离RS- 485


                                  第二种方法是使用集成解决方案,将数字隔离器和RS-485收发器集成在一个封装中。ISO1410将ISO7741的核心隔离技术和THVD1410收发器集成在一个封装中。核心隔离技术能够实现1500伏连续工作电压、增强的5千伏安隔离额定值和100千伏/美国典型共模瞬变抗扰度(CMTI)。集成收发器在总线上提供高抗扰度 符合现场总线标准,16千伏国际电工委员会静电放电和4千伏国际电工委员会电气快速瞬变,确保即使在工厂车间等嘈杂环境中也能可靠通信。这与更宽逻辑侧电源的分立解决方案相比,ISO1410具有额外的优势,支持1.71伏至5.5伏,支持较低逻辑电平的微控制器,总线侧电源支持3伏至5.5伏。

                                  与分立解决方案相比,该解决方案将隔离器和收发器集成在一个封装中,从而减少了系统级电路板空间。图2显示了如何用ISO1410替代图1中的分立解决方案。

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                                  图2.使用ISO1410的隔离式RS-485集成解决方案


                                  电源隔离:无论采用何种方法隔离RS- 485信号,都需要一个隔离电源为数字隔离器的次级侧和RS-485收发器或隔离RS-485设备供电。提供隔离电源的第一个解决方案如图3所示,其中变压器驱动器SN6501与外部变压器和LDO相结合,为ISO1410提供隔离电源。该解决方案也可以与信号隔离的离散方法一起使用。 这种解决方案的好处是,它提供了80%以上的效率,并且可以选择变压器和LDO进行优化,以满足特定的设计考虑。SN6501提供高达1.5瓦的功率,如果附加设备需要隔离电源,可以用SN6505替换,功率高达5瓦。

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                                  图3.使用ISO1410和SN6501变压器驱动器的RS-485隔离信号和电源解决方案


                                  隔离电源的第二个解决方案是将图1中的ISO7741替换为ISOW7841,它将信号和电源隔离在一个16-SOIC封装中。集成信号和电源参考设计的隔离式RS- 485显示了使用SN65HVD1473收发器的解决方案,但根据应用需求,也可以使用其他RS-485收发器。图4显示了使用ISOW7841和THVD1410实现信号和电源隔离的完整解决方案。

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                                  图4.使用ISOW7841和THVD1410的RS-485隔离信号和电源解决方案


                                  ISOW7841解决方案的优势在于,它消除了对电路板上变压器的需求,减小了电路板尺寸,并且通过这里提供的所有认证使认证变得容易。小尺寸解决方案在效率上有所权衡,因为集成到芯片中的变压器通常提供约50%的效率,并且可以提供高达650兆瓦的隔离功率。使用集成电源解决方案时,由于变压器尺寸较小,开关频率较高,因此与分立解决方案相比,会产生更高的辐射。如应用笔记《采用ISOW7841集成信号和电源隔离器的低辐射设计》所示,可以通过拼接电容来降低这些辐射。

                                  结论:根据具体的应用要求,在RS-485系统中有许多隔离信号和电源的解决方案。使用ISO1410集成解决方案进行信号隔离,将数字隔离器和抗噪声收发器的优势整合到一个封装中,在保持性能的同时节省电路板空间。 对于电源隔离,权衡是使用变压器驱动器的分立解决方案还是集成解决方案。ISOW7841集成解决方案简化了设计,减少了电路板空间,但与图3所示的SN6501解决方案相比,其效率更低。

                                  表1 .相关技术文件

                                  文档标题
                                  实现高电压信号隔离质量和可靠性
                                  鲁棒的隔离式RS-485支持新的工业应用
                                  鲁棒的隔离式RS-485支持新的工业应用


                                  重要通知和免责声明

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