不僅僅是隔離——適應嚴苛環(huán)境要求的隔離RS485/422收發(fā)器

RS485/422作為一種多節點(diǎn)、易組網(wǎng)的通訊接口，被廣泛應用于儀器儀表、安防、交通、工業(yè)設備等領(lǐng)域中。由于RS485/422的實(shí)際應用現場(chǎng)環(huán)境都比較復雜，再加上操作人員接線(xiàn)方式或使用傳輸線(xiàn)纜的不正確，經(jīng)常導致RS485/422在實(shí)際使用過(guò)程中都會(huì )受到比較大的干擾，尤其是共模噪聲、接地電位差、接線(xiàn)錯誤和高壓瞬變，如靜電放電 (ESD)、電快速瞬變 (EFT) 和雷電浪涌，這些威脅可能干擾通信，甚至導致永久性損壞。嚴苛的環(huán)境必然對器件的可靠性，魯棒性提出了更高的要求。

--icoupler隔離技術(shù)提高可靠性

RS-485/422差分通信網(wǎng)絡(luò )經(jīng)常用于惡劣環(huán)境下的工業(yè)和儀器應用中。這些網(wǎng)絡(luò )能在高達1200m的范圍內進(jìn)行通信。在惡劣環(huán)境下進(jìn)行長(cháng)距離通信時(shí)，可能出現以下問(wèn)題：

a   由于不同節點(diǎn)的地電位不同而引起接地環(huán)路電流干擾；

b   電機、電感轉換負載和其他高噪聲電氣設備造成感應接地噪聲；

c   有害電涌。

如果無(wú)法保證系統中不同節點(diǎn)的地電位不會(huì )超出收發(fā)器的共模范圍，那么電流隔離不失為一種理想的解決方案。電流隔離不阻止信息流，但阻止電流涌動(dòng)。通過(guò)電源隔離和內部信號隔離可以避免此類(lèi)故障發(fā)生，使用隔離收發(fā)器后，可有效防止地環(huán)路形成，總線(xiàn)參考地可以跟隨共模電壓的波動(dòng)而波動(dòng)，共模電壓全部由隔離帶承受，共模電壓對總線(xiàn)信號變得不再可見(jiàn)，從而保證總線(xiàn)能夠穩定可靠地通信。

對于共模噪聲的抑制，以往很多方案采用光電隔離的方案，但該方案存在體積大、電路分離元件多、電路復雜、系統不穩定等缺點(diǎn)。ADI推出的單芯片RS485/422隔離器，采用ADI獨有的icoupler磁隔離技術(shù)，實(shí)現在芯片內通過(guò)變壓器進(jìn)行脈沖耦合調制，這是與光耦合器中采用的發(fā)光二極管(LED)和光電二極管對比的不同之處。與傳統的光電隔離器件相比，icoupler磁隔離器件消除了與光耦合器相關(guān)的不確定的電流傳送比率、非線(xiàn)性傳送特性以及隨時(shí)間漂移和隨溫度漂移問(wèn)題；功耗降低了90％；無(wú)需外部驅動(dòng)器或分立器件，尤其在體積與集成度方面更具有光電隔離無(wú)法比擬的優(yōu)勢。

圖1 ADM磁隔離原理

--不僅僅是隔離

除了隔離技術(shù)以外，惡劣的使用環(huán)境和高可靠性要求要求收發(fā)器必須具有更好的EMC抗干擾和保護功能。

與ADI合作三十余年的技術(shù)分銷(xiāo)商——Excelpoint世健公司的應用工程師Kayden Wang向我們介紹了ADI一款適合惡劣工業(yè)環(huán)境及高可靠性要求的RS485/422收發(fā)器——ADM2795E。這是一款5 kV rms信號隔離RS-485/422收發(fā)器，該器件集成ADI公司的iCoupler^? 技術(shù)，將三通道隔離器、RS-485收發(fā)器和符合IEC電磁兼容性(EMC)瞬變保護集成于單體封裝中。具有±25 V的擴展共模輸入范圍，可提高高噪聲環(huán)境下的數據通信可靠性。同時(shí)可選擇-55°C至+125°C的寬溫增強型號。

圖2 ADM2795E功能框圖

?   通過(guò)IEC認證的EMC 性能

工業(yè)自動(dòng)化里的可編程邏輯控制器 (PLC)通信端口通常使用 RS-485 接口，這些端口可能經(jīng)受較大的共模噪聲、接地電位差、接線(xiàn)錯誤和高壓瞬變，如靜電放電 (ESD)、電快速瞬變 (EFT)和雷電浪涌（Surge）。

ADM2795E可提供完整的系統級解決方案，該方案符合IEC-61000浪涌、EFT和ESD標準，以及對傳導、輻射和磁場(chǎng)干擾的抗擾度，這些干擾在工業(yè)環(huán)境中很常見(jiàn)。隔離魯棒性和EMC保護的集成大幅節省了印刷電路板 (PCB)空間，以供通信端口接口使用。

ADM2795E的相關(guān)EMC 認證性能：

?   RS-485 A 和 B 總線(xiàn)引腳提供 4 級 EMC 認證保護

?   IEC 61000-4-5 浪涌保護 (±4 kV)

?   IEC 61000-4-4 EFT 保護 (±2 kV)

?   IEC 61000-4-2 ESD 保護

?   接觸放電：±8 kV

?   氣隙放電：±15 kV

?   IEC 61000-4-6 傳導射頻抗擾度 (10 V/m rms)

?   經(jīng)認證的 IEC 61000 隔離柵抗擾度

?   IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4 EFT、IEC 61000-4-5 浪涌、IEC 61000-4-6 傳導射頻抗擾度、IEC 61000-4-3 輻射抗擾度、IEC 61000-4-8 磁場(chǎng)抗擾度

圖3 ADM2795E的集成IEC 61000-4-5認證浪涌解決方案，為設計師顯著(zhù)節省了PCB面積

IEC 61000-4-6 傳導射頻抗擾度、IEC 61000-4-3 輻射抗擾度、IEC 61000-4-8 磁場(chǎng)抗擾度的通過(guò)更是保證了產(chǎn)品對日趨嚴格的電磁兼容的要求。

?   通信接口卓越的防雷保護性能

防雷設計一直是一些工程師比較頭痛的地方。使用旁路保護方法利用瞬態(tài)抑制元件（如TVS、MOV、氣體放電管等）將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地，優(yōu)點(diǎn)是成本較低，缺點(diǎn)是保護能力有限，只能保護一定能量以?xún)鹊乃矐B(tài)干擾，持續時(shí)間不能很長(cháng)，而且需要有一條良好的連接大地的通道，實(shí)現起來(lái)比較困難。并且一些針對防雷設計的TVS體積并不小，價(jià)格也偏高。ADM2795E-EP將隔離和內部保護結合起來(lái)加以運用。在這種方法中，隔離接口對大幅度雷電干擾進(jìn)行隔離，保護器件則保護隔離接口不被過(guò)高的瞬態(tài)電壓擊穿。

一些高可靠性要求的電子設備中在使用過(guò)程中可能會(huì )遭受雷擊，DO-160G標準《機載設備的環(huán)境條件和試驗程序》是通用航空電子硬件的環(huán)境測試標準。許多飛機制造商將DO-160G第22節“雷擊感應瞬態(tài)敏感性”指定為關(guān)鍵系統的要求。

? 相關(guān)電子設備防雷保護要求

DO-160G第22節防雷標準模擬了直接雷擊浪涌通過(guò)飛機機身產(chǎn)生的磁場(chǎng)在航空電子設備中引起的瞬態(tài)電壓和電流。表1顯示對于波形3和波形4/波形1，商業(yè)飛機通常需要DO-160G第22節的1級到4級防雷保護。飛機設備劃分為三類(lèi)區域，每類(lèi)區域都有相關(guān)的電磁兼容性 (EMC) 環(huán)境。最?lèi)毫拥腅MC環(huán)境位于A(yíng)類(lèi)和B類(lèi)區域。

表1 DO-160G第22節針對商業(yè)飛機的典型防雷要求

ADM2795E-EP是ADM2795的增強型號，在高可靠性要求的惡劣應用環(huán)境中工作時(shí)可減少系統故障。ADM2795E-EP具有如下重要特性：

?   具有增強DO-160G EMC抗干擾的魯棒性。

?   工作溫度范圍：?55°C至+125°C。

?   引線(xiàn)框：為減輕錫須問(wèn)題，ADM2795E-EP采用鎳/鈀/金 (NiPdAu) 引線(xiàn)框表面處理。

?   生產(chǎn)：通過(guò)單處理流程基線(xiàn)制造的增強產(chǎn)品。

ADM2795E-EP在RS-485總線(xiàn)引腳上集成了經(jīng)過(guò)全面認證的DO-160G EMC保護，可提供第22節所述的防雷保護。ADM2795E-EP還提供第25節所述的±15 kV靜電放電 (ESD) 氣隙放電保護。對于第22節的防雷要求，ADM2795E-EP可防范波形3、波形4/波形1和波形5A：對GND2的測試，使用33 Ω或47 Ω限流電阻時(shí)可達到4級要求；對GND1的測試，隔離柵上可達到4級要求。DO-160G標準的波形形狀和上升/下降時(shí)間顯著(zhù)長(cháng)于IEC 61000-4-5標準的相關(guān)規定，如圖4所示。DO-160G第22節防雷標準涉及的能量非常高，ADM2795E-EP 的可靠性設計保護器件免受這些極端瞬變影響。

圖4 DO-160G第22節波形1和波形5A及IEC61000-4-5浪涌波形

?   故障過(guò)壓保護和±42 V 接線(xiàn)錯誤保護

ADM2795E在 ±25 V 的整個(gè)擴展共模工作范圍內受故障保護。并且驅動(dòng)器輸出和接收器輸入受–42V至+42 VAC/DC 峰值范圍內的任何電壓的短路保護。故障狀態(tài)中的最大電流為 ±250 mA。RS-485 驅動(dòng)器包括折返限流電路，該電路可減小電壓超出收發(fā)器的 ±25 V 共模范圍限制時(shí)的驅動(dòng)器電流。折返特性引起的這一電流減少可實(shí)現更好的功耗和熱效應管理。

ADM2795E 在未安裝 RS-485 端接或總線(xiàn)偏置電阻的總線(xiàn)上運行時(shí)將受到高壓接線(xiàn)錯誤保護。典型的接線(xiàn)錯誤為高壓24VAC/DC電源直接連接至 RS-485 總線(xiàn)引腳連接器。ADM2795E 可在RS-485總線(xiàn)引腳上承受相對于GND2峰值高達±42V的接線(xiàn)錯誤故障而不損壞。在A(yíng)和B總線(xiàn)引腳上確保接線(xiàn)錯誤保護，且在連接器和總線(xiàn)引腳進(jìn)行熱插拔時(shí)確保該保護。

-支持案例

Kayden Wang在之前幫助世健客戶(hù)排除故障的過(guò)程中就遇到過(guò)類(lèi)似問(wèn)題?？蛻?hù)在產(chǎn)品調試期間出現了RS485通訊故障和顯示屏黑屏現象。Kayden在和客戶(hù)一起排除故障的過(guò)程中，發(fā)現客戶(hù)使用的收發(fā)器是某品牌的非隔離RS485收發(fā)器。

由于交聯(lián)的大功率器件在啟動(dòng)過(guò)程中，啟動(dòng)電流通過(guò)電纜上的分布電容及電感耦合產(chǎn)生的電壓傳導至產(chǎn)品內部地線(xiàn)，造成RS485總線(xiàn)與地線(xiàn)的瞬時(shí)電壓過(guò)高（此RS485收發(fā)器能夠承受共模電壓最大范圍（-7V～+12V），使收發(fā)器發(fā)送引腳與參考地擊穿并短路，導致RS485通訊失效。

RS485收發(fā)器與產(chǎn)品微控制器通過(guò)同一組+3.3V電源供電，電源正常范圍為2.7V～3.6V，同時(shí)產(chǎn)品內部27VDC與3.3V電源共地，當功率器件斷開(kāi)時(shí)，線(xiàn)圈產(chǎn)生的感應電壓通過(guò)27VDC地線(xiàn)傳導至產(chǎn)品內部地且收發(fā)器已損壞，導致產(chǎn)品內部3.3V電源與地之間的壓差低于2.7V，使微控制器短時(shí)復位，并進(jìn)一步導致黑屏。

針對此故障現象，結合客戶(hù)對EMC和防雷設計的要求，Kayden推薦客戶(hù)使用ADM2795E+ADuM6028（隔離供電）的方案。如圖5所示，后經(jīng)對測試板的測試，對收發(fā)器的輸出引腳和地線(xiàn)施加共模脈沖，幅值調整范圍為（-10V～+15V），用檢測設備監測產(chǎn)品內部3.3V電源和輸出信號，產(chǎn)品通訊正常，系統穩定。后續也順利通過(guò)各種EMC測試和防雷試驗。該客戶(hù)的通訊端口可靠性得到大幅提高。

圖5 2.5 Mbps,5 kV信號和電源隔離RS-485方案（±42V故障保護和Level4EMC保護）

ADM2795E集成化的完整的系統級解決方案可適應各種惡劣環(huán)境。大量實(shí)驗結果和相關(guān)案例證明，ADM2795E不僅可以提高RS485/422通訊的可靠性，而且電路也十分簡(jiǎn)單。