隔離型RS-485收發(fā)器的七大設計問(wèn)題匯總

　　您是否正在搜尋有關(guān)RS-485的更多信息?我們特意根據TI E2E?社區的反饋，匯編了關(guān)于隔離型RS-485收發(fā)器設計攻關(guān)的最常見(jiàn)問(wèn)題清單。希望這份清單能為您提供關(guān)于RS-485隔離信號與電源的有用見(jiàn)解。

　　1.何時(shí)必須隔離RS-485總線(xiàn)?

　　隔離可防止系統兩個(gè)部分之間的直流電(DC)和異常的交流電(AC)，但仍然支持兩個(gè)部分之間的信號和電能傳輸。隔離通常能夠阻止電氣組件或人員遭受危險電壓和電流浪涌的傷害;用于保護人員的隔離稱(chēng)為增強型隔離。隔離可防止節點(diǎn)之間進(jìn)行長(cháng)途通信時(shí)形成接地回路。隔離還允許遠高于RS-485標準所推薦的節點(diǎn)間通信接地電位差變化率。

　　2.可以把多少個(gè)節點(diǎn)連接到一條RS-485總線(xiàn)上?

　　為預估可能的最大總線(xiàn)負載數量，RS-485定義了一個(gè)假設術(shù)語(yǔ)“單位負載(UL)”，它代表約為12kΩ的負載阻抗。美國電子工業(yè)協(xié)會(huì )(TIA/EIA) RS-485標準強制規定最多能夠為一條RS-485總線(xiàn)添加32 UL負載。我們使用輸入電壓除以漏電流得到的最壞情況下的性能比來(lái)計算一個(gè)節點(diǎn)的UL，如等式1所示。

　　一旦算出了該節點(diǎn)的UL，就可以用等式2計算最大節點(diǎn)數量：

　　大部分TI隔離型RS-485收發(fā)器的單一UL為1/8，因此換算的結果是一條RS-485總線(xiàn)上最多可以有256個(gè)節點(diǎn)。

　　如需更多了解UL及一條RS-485總線(xiàn)可連接的節點(diǎn)數量，請參考“模擬應用期刊”文章——“RS-485單位負載與最大總線(xiàn)連接數量”。

　　3.隔離型RS-485的速度與長(cháng)度相關(guān)性是什么?

　　在信號速率(速度)與電纜長(cháng)度之間存在反向關(guān)系。它們之間的確切關(guān)系取決于電纜本身的電阻和電容。如果構建RS-485網(wǎng)絡(luò )，選擇電纜與收發(fā)器同等重要，如此方能確保在所需距離上的可靠通信。圖1展示了信號速率與電纜長(cháng)度的相關(guān)性。圖中的圈3顯示的是與信號速率無(wú)關(guān)的最大電纜長(cháng)度;在曲線(xiàn)的這部分區域，電纜的直流電阻導致信號衰減，限制了最大通信距離。圈2展示了信號速率與電纜長(cháng)度之間的反向關(guān)系，這是由傳輸線(xiàn)路損耗造成的，電纜越長(cháng)損耗越大。圈1使您可以忽略傳輸線(xiàn)路損耗;驅動(dòng)器的上升和下降時(shí)間，決定了對最大數據傳輸率的主要限制因素。RS-485標準建議最大信號速率為10Mbps;但是，按照當今的技術(shù)，信號速率已達50Mbps。

　　圖 1：信號速率與電纜長(cháng)度的關(guān)系

　　4.什么是故障保護偏置，如何設計它?

　　為履行RS-485標準，當差分輸入(VID)超過(guò)200mV時(shí)，接收器輸出必須生成邏輯高電平，而當VID低于-200mV時(shí)，則必須輸出邏輯低電平。然而，在下列三種情況下會(huì )生成無(wú)效輸出：

　　· 總線(xiàn)開(kāi)路，例如電纜斷裂或連接器斷開(kāi)。

　　· 總線(xiàn)短路，例如電纜絕緣破損，使絞線(xiàn)對短路。

　　· 總線(xiàn)閑置，如果總線(xiàn)上沒(méi)有驅動(dòng)器有效驅動(dòng)，就會(huì )產(chǎn)生這種結果。

　　在以上任何情況中，對于端接的傳輸線(xiàn)路，RS-485接收器VID為零，無(wú)故障保護接收器輸出則不確定。

　　故障保護偏置為閑置總線(xiàn)提供差分電壓，從而能夠維持接收器處于邏輯高電平態(tài)。如果您不考慮故障保護偏置，終端電阻可將總線(xiàn)電壓降至0V，導致錯誤的輸出或信號振蕩。您可以通過(guò)結合運用電阻網(wǎng)絡(luò )與RS-485接收器，設計故障保護偏置。TI隔離型RS-485收發(fā)器均已針對總線(xiàn)開(kāi)路、短路或閑置的情況集成了故障保護偏置，故不再需要構建外部電路來(lái)設計故障保護偏置。

　　5.何時(shí)需要端接RS-485總線(xiàn)，它對系統而言有何優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)?

　　在大部分RS-485應用中，為防止信號反射，終端電阻都與電纜的特性阻抗相匹配。終端電阻應安裝在RS-485總線(xiàn)的兩端。有些短途通信在沒(méi)有終端電阻的情況下也能正常操作，但對于所有應用而言端接線(xiàn)路都是最佳方法。終端電阻的缺點(diǎn)是由電阻產(chǎn)生直流損耗，這會(huì )使系統產(chǎn)生更高的功耗。即便有此缺憾，終端電阻仍然是絕大多數應用的好選擇。

　　6.隔離型RS-485設備需要哪種瞬態(tài)保護?

　　隔離型RS-485設備采用何種瞬態(tài)保護取決于最終系統中可能的干擾類(lèi)型，例如靜電釋放(ESD)、電快速瞬變脈沖群(EFT)或浪涌，以及所需的保護水平。TI隔離型RS-485收發(fā)器產(chǎn)品系列如果具有浮動(dòng)絕緣接地導體，則集成收發(fā)器總線(xiàn)終端會(huì )具有某種程度的內部瞬態(tài)保護。除此之外，正確設計系統后，您可以利用隔離勢壘形成針對這些瞬態(tài)變化的高阻抗。如果您不希望系統中出現差分瞬態(tài)現象，并測試了所有與最終設備接地相關(guān)的瞬態(tài)，然后將保護性接地裝置(PE)連接到隔離型收發(fā)器的邏輯側，將使所有高電壓瞬態(tài)發(fā)生在隔離勢壘處。把PE連接到邏輯側，可以免除外部組件，如瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管或防脈沖電阻等。

　　圖2展示了采用ISO1410的增強型瞬態(tài)保護技術(shù)。

　　圖 2：半雙工隔離型RS-485收發(fā)器，具有可選的總線(xiàn)保護組件

　　7.您如何為隔離型RS-485節點(diǎn)構造隔離型電源?

　　為隔離型RS-485節點(diǎn)構造隔離型電源有幾種可選的方法;最佳解決方案須視具體的應用需要而定。

　　一個(gè)選擇是使用TI SN6501這樣的變壓器驅動(dòng)器，此種驅動(dòng)器可用于具有次級側變壓器和整流低壓差穩壓器(LDO)的推挽式配置。SN6501的功率高達1.5W，可作為隔離型電源。此設備具有高度靈活性，幾乎可用在所有應用中。這是因為變壓器匝數比能使電源提供必要的隔離電壓和輸出電壓。如果您需要為其他設備提供隔離電源，則可使用SN6505而不是SN6501，獲得高達5W的輸出功率。SN6505具有額外的保護特性，例如過(guò)載和短路、熱關(guān)斷、軟啟動(dòng)和壓擺率控制等，方便設計人員構筑健全的解決方案。

　　圖 3：運用SN6501構建ISO1410的隔離型電源

　　另一個(gè)針對空間受限應用的可選方法是ISOW78xx系列設備，該系列可在小型塑封集成電路(SOIC)-16封裝中提供信號和電源隔離特性。ISOW7841可與非隔離型RS-485收發(fā)器結合運用，如帶集成信號和電源參考設計的隔離型RS-485所示。這種結合運用占空間小;不需要變壓器，也易于通過(guò)認證。請參閱ISOW7841線(xiàn)上產(chǎn)品文件夾中的所有文檔，了解詳情。

　　圖 4：運用ISOW7841打造集成信號和電源的隔離型RS-485

　　作者：德州儀器Anthony Viviano和Vikas Thawani