深度好文—RS-485現場匯流排的數字隔離選型考慮
本文開篇先來稍作科普，眾所周知，隔離可防止高電壓對敏感電子元件造成損壞或對人造成傷害，另外它還可以透過大的地電位差消除通訊鏈路中的接地迴路，來保持訊號完整性。而經常用於惡劣環境下的工業和儀器裝置應用中的RS-485匯流排規範符合真正多點通訊網路的要求，根據該標準，單個（雙線）總線上最多可以連線32個驅動器和32個接收器。部分RS-485收發器改變輸入阻抗以允許最多8倍的節點連線至同一匯流排。
RS-485系統通常用於連線多個系統，電纜鋪設距離很長（有時超過4000米），因此匯流排和所連線的各系統之間的隔離非常關鍵。今年越來越普及的數字隔離技術在RS-485電纜網路和與之連線的系統之間提供了重要的隔離，並防止過壓瞬變，同時避免在RS-485網路中形成接地環路。
在工業應用中，如今對隔離和資料收發存在兩大需求：更高的資料速率和更低功耗的工作模式。ADI公司的iCoupler®數字隔離器和RS-485收發器產品系列可以很好地滿足這兩大需求。
隔離式高速RS-485應用案例分析
對於高效能電機控制編碼器應用而言，通常需要更高的資料速率、更小的RS-485收發器封裝和IEC 61000-4-2 ESD保護。ADI公司的ADM3065E/ADM3066E 50 Mbps收發器採用節省空間的10引腳LFCSP封裝，可提供±12 kV（接觸）和±12 kV （空氣）的IEC 61000-4-2 ESD保護功能，為EnDat編碼器提供了一套可靠的解決方案。此外，在ADM3065E/ADM3066E中新增高速穩定的訊號和功率隔離可以通過ADI公司isoPower ADuM6401或 isoPower ® ADuM6000及iCoupler ADuM241D系列來實現。
利用iCoupler和isoPower技術，可以向ADM3065E中增添兼具加強絕緣和5kV rms瞬態耐受電壓的電流隔離。 ADuM6401提供了所需的四通道5kV rms訊號隔離、最高 25 Mbps 的工作速率以及整合式DC/DC 轉換器。 ADuM6401配合ADM3065E（如圖1所示）需將VISO引腳配置為3.3 V，具體方法是將VSEL引腳連線到GNDISO引腳，並將5V電源連線到VDD1引腳。在3.3V電壓下工作，即使資料速率達25 Mbps ，也可以確保ADM3065E 仍保持在 ADuM6401的負載能力範圍內。利用ADuM241D四通道數字隔離器和ADuM6000隔離式 DC/DC 轉換器，可以實現50 Mbps 資料速率以及 ADM3065E隔離，如圖2所示。ADuM241D的資料速率最高可達150 Mbps，能夠提供完全支援ADM3065E以50 Mbps資料速率工作所需的精確時序。
圖 1: 訊號和電源隔離的 25 Mbps RS-485 解決方案（簡化圖，未顯示全部連線。來源：ADI公司）
不過，以50Mbps資料速率工作的前提是使ADM3065E工作在3.3 V電壓下。 如果需要在5V電壓下工作，可以將ADuM6000上的VSEL引 腳連線到VISO，但支援的最大資料速率會降低（例如，<10 Mbps）。更多資訊，請參考ADuM241D和ADuM6000資料手冊。 ADuM6401和ADuM6000 isoPower器件中的DC/DC轉換器 可為ADM3065E（和ADuM241D）提供穩壓隔離電源。這 兩款isoPower器件利用高頻開關元件，通過變壓器傳輸功 率。使用者必須遵循輻射標準進行印刷電路板 (PCB) 佈局。
圖 2. 訊號和電源隔離的 50 Mbps RS-485 解決方案（簡化圖，未顯示全部連線，來源：ADI公司）
隔離式低功耗RS-485應用案例分析
而在電池供電系統、一些對續航敏感地應用（如井下、採礦）以及在4 mA至 20 mA環路中工作的過程控制系統中，往往對低功耗工作模式具有較高需求。ADI公司的微功耗數字隔離器 ADuM1441在關斷模式下的靜態功耗低於23 μA 。ADI公司提供的ADM3483 3.3 V、250 kbps RS-485收發器的靜態功耗也極低，關斷模式下通常僅2 nA。 圖1所示為適合井下應用穩定可靠的低功耗隔離式RS-485 解決方案。ADM3483和ADuM1441共用可提供一條通往遠端地下測量節點的可靠低功耗鏈路。系統介面卡包括 ARM® Cortex® 微控制器單元 (MCU)、ADuCM3027和整合 模擬前端 (AFE)AD7124-4，用於遠端溫度和壓力測量。系統介面卡的韌體更新通過遠距離RS-485電纜提供，更新後能夠在最長1 km的遠距離內實現低資料速率傳輸（例如，9.6 kbps）。
圖 3. 適合井下應用穩定可靠的ADI公司低功耗隔離式 RS-485 解決方案
圖4顯示了ADI公司ADuM1441微功耗、四通道、數字隔離器和 ADM3483低功耗、半雙工RS-485收發器的組合。當ADM3483處於關斷模式（驅動器使能DE引腳為低電平 且接收器使能RE引腳為高電平）時，靜態電源電流通常僅 為2nA（最大規範值為1 μA）。如圖4所示，ADuM1441的 引腳7和引腳10分別連線至GND1和GND2。這意味著當 ADuM1441隔離器處於無匯流排通訊活動的關斷模式時，其靜態電流低於23 µA。總體來說，該解決方案的靜態功耗低至24 µA以下。
圖 4. 低功耗、隔離式 RS-485 節點(來源：ADI公司)
如果ADuM1441的引腳7和引腳10分別直接連線到VDD1和VDD2，則ADuM1441的靜態功耗僅1.2 µA。這可以通過PCB 上的跳線連線來實現，使用者可以選擇將引腳7連線到VDD1 或GND1，還可以選擇將引腳10連線到VDD2或GND2。將 ADuM1441中的1.2 μA靜態功耗特性新增到ADM3483靜態電源中，可實現一個在關斷或待機模式下僅消耗2 μA電流 的完全隔離式RS-485節點。為了確保隔離器正常工作， ADuM1441的引腳7和引腳10必須分別連線到GND1和 GND2。
本文小結
RS-485匯流排標準是使用最廣泛的物理層匯流排設計標準之一。以數字方式（ADI公司的iCoupler和isoPower）將RS-485與連線至匯流排的各系統隔離開來，可減少訊號失真和誤差，並防止系統和元件發生系統和匯流排電壓和接地適配。並且通過不同隔離器和RS-485收發器型號的搭配，可輕鬆滿足工業應用中高速率和低功耗的不同應用場景需求。
文章來源：電子工程世界 https://www.eeworld.com.cn/