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

發(fā)布時間:2020-12-09 來源:世健 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】RS485/422作為一種多節(jié)點、易組網(wǎng)的通訊接口,被廣泛應(yīng)用于儀器儀表、安防、交通、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域中。由于RS485/422的實際應(yīng)用現(xiàn)場環(huán)境都比較復(fù)雜,再加上操作人員接線方式或使用傳輸線纜的不正確,經(jīng)常導(dǎo)致RS485/422在實際使用過程中都會受到比較大的干擾,尤其是共模噪聲、接地電位差、接線錯誤和高壓瞬變,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(dǎo)致永久性損壞。嚴(yán)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(yīng)用中。這些網(wǎng)絡(luò)能在高達1200m的范圍內(nèi)進行通信。在惡劣環(huán)境下進行長距離通信時,可能出現(xiàn)以下問題:
 
a.  由于不同節(jié)點的地電位不同而引起接地環(huán)路電流干擾;
 
b. 電機、電感轉(zhuǎn)換負(fù)載和其他高噪聲電氣設(shè)備造成感應(yīng)接地噪聲;
 
c. 有害電涌。
 
如果無法保證系統(tǒng)中不同節(jié)點的地電位不會超出收發(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。通過電源隔離和內(nèi)部信號隔離可以避免此類故障發(fā)生,使用隔離收發(fā)器后,可有效防止地環(huán)路形成,總線參考地可以跟隨共模電壓的波動而波動,共模電壓全部由隔離帶承受,共模電壓對總線信號變得不再可見,從而保證總線能夠穩(wěn)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(fù)雜、系統(tǒng)不穩(wěn)定等缺點。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),實現(xiàn)在芯片內(nèi)通過變壓器進行脈沖耦合調(diào)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(tǒng)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、非線性傳送特性以及隨時間漂移和隨溫度漂移問題;功耗降低了90%;無需外部驅(qū)動器或分立器件,尤其在體積與集成度方面更具有光電隔離無法比擬的優(yōu)勢。
 
不僅僅是隔離——適應(yīng)嚴(yán)苛環(huán)境要求的隔離RS485/422收發(fā)器
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)分銷商——Excelpoint世健公司的應(yīng)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(shù)據(jù)通信可靠性。同時可選擇-55°C至+125°C的寬溫增強型號。
 
不僅僅是隔離——適應(yīng)嚴(yán)苛環(huán)境要求的隔離RS485/422收發(fā)器
圖2:ADM2795E功能框圖
 
? 通過IEC認(rèn)證的EMC 性能
 
工業(yè)自動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(tǒng)級解決方案,該方案符合IEC-61000浪涌、EFT和ESD標(biāo)準(zhǔn),以及對傳導(dǎo)、輻射和磁場干擾的抗擾度,這些干擾在工業(yè)環(huán)境中很常見。隔離魯棒性和EMC保護的集成大幅節(jié)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(rèn)證性能:
 
•RS-485 A 和 B 總線引腳提供 4 級 EMC 認(rèn)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(dǎo)射頻抗擾度 (10 V/m rms)
•經(jīng)認(rèn)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(dǎo)射頻抗擾度、IEC 61000-4-3 輻射抗擾度、IEC 61000-4-8 磁場抗擾度
 
不僅僅是隔離——適應(yīng)嚴(yán)苛環(huán)境要求的隔離RS485/422收發(fā)器
圖3:ADM2795E的集成IEC 61000-4-5認(rèn)證浪涌解決方案,為設(shè)計師顯著節(jié)省了PCB面積
 
IEC 61000-4-6 傳導(dǎo)射頻抗擾度、IEC 61000-4-3 輻射抗擾度、IEC 61000-4-8 磁場抗擾度的通過更是保證了產(chǎn)品對日趨嚴(yán)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(shè)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)點是成本較低,缺點是保護能力有限,只能保護一定能量以內(nèi)的瞬態(tài)干擾,持續(xù)時間不能很長,而且需要有一條良好的連接大地的通道,實現(xiàn)起來比較困難。并且一些針對防雷設(shè)計的TVS體積并不小,價格也偏高。ADM2795E-EP將隔離和內(nèi)部保護結(jié)合起來加以運用。在這種方法中,隔離接口對大幅度雷電干擾進行隔離,保護器件則保護隔離接口不被過高的瞬態(tài)電壓擊穿。
 
一些高可靠性要求的電子設(shè)備中在使用過程中可能會遭受雷擊,DO-160G標(biāo)準(zhǔn)《機載設(shè)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(biāo)準(zhǔn)。許多飛機制造商將DO-160G第22節(jié)“雷擊感應(yīng)瞬態(tài)敏感性”指定為關(guān)鍵系統(tǒng)的要求。
 
• 相關(guān)電子設(shè)備防雷保護要求
 
DO-160G第22節(jié)防雷標(biāo)準(zhǔn)模擬了直接雷擊浪涌通過飛機機身產(chǎn)生的磁場在航空電子設(shè)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(jié)的1級到4級防雷保護。飛機設(shè)備劃分為三類區(qū)域,每類區(qū)域都有相關(guān)的電磁兼容性 (EMC) 環(huán)境。最惡劣的EMC環(huán)境位于A類和B類區(qū)域。
 
不僅僅是隔離——適應(yīng)嚴(yán)苛環(huán)境要求的隔離RS485/422收發(fā)器
表1:DO-160G第22節(jié)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(yīng)用環(huán)境中工作時可減少系統(tǒng)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。
• 引線框:為減輕錫須問題,ADM2795E-EP采用鎳/鈀/金 (NiPdAu) 引線框表面處理。
• 生產(chǎn):通過單處理流程基線制造的增強產(chǎn)品。
 
ADM2795E-EP在RS-485總線引腳上集成了經(jīng)過全面認(rèn)證的DO-160G EMC保護,可提供第22節(jié)所述的防雷保護。ADM2795E-EP還提供第25節(jié)所述的±15 kV靜電放電 (ESD) 氣隙放電保護。對于第22節(jié)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(biāo)準(zhǔn)的波形形狀和上升/下降時間顯著長于IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定,如圖4所示。DO-160G第22節(jié)防雷標(biāo)準(zhǔn)涉及的能量非常高,ADM2795E-EP 的可靠性設(shè)計保護器件免受這些極端瞬變影響。
 
不僅僅是隔離——適應(yīng)嚴(yán)苛環(huán)境要求的隔離RS485/422收發(fā)器
圖4:DO-160G第22節(jié)波形1和波形5A及IEC61000-4-5浪涌波形
 
? 故障過壓保護和±42 V 接線錯誤保護
 
ADM2795E在 ±25 V 的整個擴展共模工作范圍內(nèi)受故障保護。并且驅(qū)動器輸出和接收器輸入受–42V至+42 VAC/DC 峰值范圍內(nèi)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(qū)動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 共模范圍限制時的驅(qū)動器電流。折返特性引起的這一電流減少可實現(xiàn)更好的功耗和熱效應(yīng)管理。
 
ADM2795E 在未安裝 RS-485 端接或總線偏置電阻的總線上運行時將受到高壓接線錯誤保護。典型的接線錯誤為高壓24VAC/DC電源直接連接至 RS-485 總線引腳連接器。ADM2795E 可在RS-485總線引腳上承受相對于GND2峰值高達±42V的接線錯誤故障而不損壞。在A和B總線引腳上確保接線錯誤保護,且在連接器和總線引腳進行熱插拔時確保該保護。
 
-支持案例
 
Kayden Wang在之前幫助世健客戶排除故障的過程中就遇到過類似問題??蛻粼诋a(chǎn)品調(diào)試期間出現(xiàn)了RS485通訊故障和顯示屏黑屏現(xiàn)象。Kayden在和客戶一起排除故障的過程中,發(fā)現(xiàn)客戶使用的收發(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過程中,啟動電流通過電纜上的分布電容及電感耦合產(chǎn)生的電壓傳導(dǎo)至產(chǎn)品內(nèi)部地線,造成RS485總線與地線的瞬時電壓過高(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?fù)舸┎⒍搪罚瑢?dǎo)致RS485通訊失效。
 
RS485收發(fā)器與產(chǎn)品微控制器通過同一組+3.3V電源供電,電源正常范圍為2.7V~3.6V,同時產(chǎn)品內(nèi)部27VDC與3.3V電源共地,當(dāng)功率器件斷開時,線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓通過27VDC地線傳導(dǎo)至產(chǎn)品內(nèi)部地且收發(fā)器已損壞,導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部3.3V電源與地之間的壓差低于2.7V,使微控制器短時復(fù)位,并進一步導(dǎo)致黑屏。
 
針對此故障現(xiàn)象,結(jié)合客戶對EMC和防雷設(shè)計的要求,Kayden推薦客戶使用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施加共模脈沖,幅值調(diào)整范圍為(-10V~+15V),用檢測設(shè)備監(jiān)測產(chǎn)品內(nèi)部3.3V電源和輸出信號,產(chǎn)品通訊正常,系統(tǒng)穩(wěn)定。后續(xù)也順利通過各種EMC測試和防雷試驗。該客戶的通訊端口可靠性得到大幅提高。
 
不僅僅是隔離——適應(yīng)嚴(yán)苛環(huán)境要求的隔離RS485/422收發(fā)器
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(tǒng)級解決方案可適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。大量實驗結(jié)果和相關(guān)案例證明,ADM2795E不僅可以提高RS485/422通訊的可靠性,而且電路也十分簡單。
 
關(guān)于世健——亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商
 
世健是完整解決方案的供應(yīng)商,為亞洲電子廠商包括原設(shè)備生產(chǎn)商(OEM)、原設(shè)計生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務(wù)提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件、工程設(shè)計及供應(yīng)鏈管理服務(wù)。
 
世健與供應(yīng)商及電子廠商緊密協(xié)作,為新的科技與趨勢作出定位,并幫助客戶把這些最先進的科技揉合于他們的產(chǎn)品當(dāng)中。集團分別在新加坡、中國及越南設(shè)有研發(fā)中心,專業(yè)的研發(fā)團隊不斷創(chuàng)造新的解決方案,幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時間。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設(shè)計可應(yīng)用于工業(yè)、無線通信及消費電子等領(lǐng)域。
 
世健是新加坡的主板上市公司,總部設(shè)于新加坡,擁有約750名員工,業(yè)務(wù)范圍已擴展至亞太區(qū)40多個城市和地區(qū),遍及新加坡、馬來西亞、泰國、越南、中國、印度、印度尼西亞、菲律賓及澳大利亞等十多個國家。世健集團在2018年的年營業(yè)額超過12億5千萬美元。世健于1993年開始發(fā)展中國業(yè)務(wù),中國區(qū)總部設(shè)于香港,并擁有11個分公司及辦事處、研發(fā)中心及物流中心,業(yè)務(wù)遍及中國多個城市和地區(qū)。
 
 
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