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幾種實(shí)現(xiàn)485隔離的方案

發(fā)布時(shí)間:2021-11-02 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】RS485總線是一種使用平衡發(fā)送,差分接收實(shí)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(gè)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(gè)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(jiǎn)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(shí),極易損壞后端電路,甚至可能會(huì)在使用端產(chǎn)生觸電;           


當(dāng)485通信節(jié)點(diǎn)距離太遠(yuǎn)時(shí),每個(gè)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(shí),地電勢(shì)會(huì)以共模電壓的方式疊加在信號(hào)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(shí)(如485屏蔽電纜),地線會(huì)和大地形成地環(huán)路,該環(huán)路會(huì)耦合外部共模噪聲,并產(chǎn)生地環(huán)路電流,可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電路系統(tǒng)失效。    


二.實(shí)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(shí)現(xiàn)。下面介紹幾種常用485電路隔離方案。 


利用光耦隔離實(shí)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(gè)光耦隔離器實(shí)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(shí)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(hào)傳輸電路中,485使能信號(hào)可繼續(xù)使用光耦隔離器件對(duì)進(jìn)行隔離,而數(shù)據(jù)信號(hào)通路則可使用高速數(shù)字隔離芯片NSi8121N1實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)485電路隔離


只要有光耦隔離存在,就會(huì)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(chǎng)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(wèn)題。下面是使用NSi8131N1芯片實(shí)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(shí)現(xiàn)485電路隔離


相較于上述三種利用復(fù)雜外圍電路實(shí)現(xiàn)485電路隔離的方案,NSi8308x系列芯片僅需單顆芯片即可實(shí)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(gè)三通道電容隔離及一個(gè)485收發(fā)器,其中NSi83085用于半雙工485隔離,最高可達(dá)500kbps通信速率,同時(shí)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,最高可達(dá)16Mbps通信速率,可極大的減小系統(tǒng)PCB面積,簡(jiǎn)化系統(tǒng)方案設(shè)計(jì),提高系統(tǒng)的可靠性。NSi8308x的總線接口具有±16kV的系統(tǒng)級(jí)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(shí),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(gè)收發(fā)器掛在總線上。輸出驅(qū)動(dòng)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(duì)比


下面是針對(duì)上述幾種485隔離方案的各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比


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圖5 幾種485隔離電路面積對(duì)比


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表1 幾種485隔離電路性能對(duì)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(wèn)題存在,所以在EMC等級(jí)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(jí)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(shí),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(guò)增加外圍電路來(lái)提高。給你介紹一種以NSi83085為例實(shí)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(shí)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(shí),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(wú)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(gè)120Ω電阻用以終端阻抗匹配,只有通訊距離較長(zhǎng)的系統(tǒng)中的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)和最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)才會(huì)加這個(gè)匹配電阻。


當(dāng)外部瞬態(tài)大電壓/電流信號(hào)(如雷擊)感應(yīng)到A、B線上時(shí),先經(jīng)過(guò)保險(xiǎn)絲,防止當(dāng)RS-485總線與電源線搭短路時(shí)燒掉后續(xù)電路;然后用氣體放電管(GDT)進(jìn)行初級(jí)防護(hù),將高壓信號(hào)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(jí)保護(hù),將總線電平鉗制到7.5V以下。由于GDT響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),在一級(jí)防護(hù)和二級(jí)防護(hù)之間需再加TBU器件,以限制GDT未響應(yīng)時(shí)會(huì)有過(guò)流信號(hào)燒壞TVS管。通常,對(duì)于4kV以下過(guò)電壓,可以省去初級(jí)保護(hù)GDT,單用TVS就能實(shí)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(zhǎng)距離傳輸信號(hào)的地回路,以避免地環(huán)路和共模信號(hào)的影響,因而越來(lái)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??箶_、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(dòng)兩種功能設(shè)計(jì),可大幅簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度,并減少系統(tǒng)PCB的面積,是實(shí)現(xiàn)485隔離的最佳選擇。



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