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簡(jiǎn)介

電信行業(yè)協(xié)會(huì) (TIA) 和電子工業(yè)聯(lián)盟 (EIA) 的 RS-485 通信標(biāo)準(zhǔn)建立于二十年前，已被廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。RS-485 是在距離1000 米遠(yuǎn)的兩地之間進(jìn)行可靠通信的理想標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗捎秒p絞線來發(fā)送差分信號(hào)。

對(duì)于電機(jī)控制、工廠自動(dòng)化、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和其他可能存在高壓的系統(tǒng)，高壓和低壓域之間的通信需要隔離 RS-485 系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)。隔離 RS-485 節(jié)點(diǎn)可保護(hù)電路，在某些情況下還可以保護(hù)操作人員免受高壓和任何有害的電壓瞬變的影響。用于保護(hù)操作人員免受高壓影響的隔離稱為增強(qiáng)型隔離，相當(dāng)于將兩個(gè)功能隔離柵串聯(lián)在一起。RS-485 系統(tǒng)中還使用了電氣隔離的方式，以防止接地回路產(chǎn)生噪聲，從而干擾 RS-485 總線通信。

隔離信號(hào)和電源以實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)的方法有很多。本文介紹了可用于隔離 RS-485 節(jié)點(diǎn)的不同設(shè)計(jì)，并權(quán)衡了它們之間的利弊。

信號(hào)隔離

對(duì)于 RS-485 系統(tǒng)，有兩種常見的隔離信號(hào)的方法。第一種方法是數(shù)字隔離器和 RS-485 收發(fā)器的分立式設(shè)計(jì)。在該設(shè)計(jì)中，啟用（RE、DE）、發(fā)送 (D) 和接收 (R) 信號(hào)通過 MCU 和 RS-485 收發(fā)器之間的數(shù)字隔離器（例如 ISO7741）進(jìn)行隔離。圖 1 展示了這種設(shè)計(jì)的一個(gè)示例，其中采用了 ISO7741 和一個(gè) RS-485 收發(fā)器（如 THVD1410）。分立式設(shè)計(jì)的一項(xiàng)主要優(yōu)勢(shì)是能夠靈活地為特定應(yīng)用選擇理想收發(fā)器。然而，由于采用了多芯片設(shè)計(jì)，其缺點(diǎn)是需要額外的布板空間。

（產(chǎn)品更新：ISO7741 是上一代數(shù)字隔離器。對(duì)于新設(shè)計(jì)，TI 推薦使用 ISO6441，這是一款改進(jìn)了時(shí)序和 EMC 性能的新一代引腳對(duì)引腳兼容增強(qiáng)型數(shù)字隔離器。）

第二種方法是采用集成式設(shè)計(jì)，將數(shù)字隔離器和 RS-485 收發(fā)器組合在一個(gè)封裝中。ISO1410 在單個(gè)封裝中集成了 ISO7741 的堆芯隔離技術(shù)以及 THVD1410 收發(fā)器。堆芯隔離技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn) 1500Vpk 的持續(xù)工作電壓、增強(qiáng)的 5kVrms 隔離等級(jí)和 100kV/us 的典型共模瞬變抗擾度 (CMTI)。集成的收發(fā)器通過 Profibus 合規(guī)性、16kV IEC 靜電放電 (ESD) 和 4kV IEC 電快速瞬變脈沖群 (EFT) 在總線上提供高抗噪性，以確保即使在工廠車間等高噪聲環(huán)境中也能進(jìn)行可靠通信。與分立式設(shè)計(jì)相比，ISO1410 還具有可支持更廣的邏輯側(cè)電源這一額外優(yōu)勢(shì)，支持 1.71V 至 5.5V 以實(shí)現(xiàn)較低邏輯電平的 MCU 電源和 3V 至 5.5V 的總線側(cè)電源。

通過將隔離器與收發(fā)器組合到一個(gè)封裝中，該設(shè)計(jì)相比分立式設(shè)計(jì)減少了系統(tǒng)級(jí)布板空間。圖 2 所示為如何用 ISO1410 替代 圖 1 的分立式設(shè)計(jì)。

電源隔離

無論選擇哪種方法來隔離 RS-485 信號(hào)，都需要一個(gè)隔離式電源為數(shù)字隔離器的次級(jí)側(cè)以及 RS-485 收發(fā)器或隔離式 RS-485 器件供電。提供隔離式電源的第一種設(shè)計(jì)如圖 3 所示，其中變壓器驅(qū)動(dòng)以及 SN6501 與一個(gè)外部變壓器和 LDO 一同為 ISO1410 提供隔離電源。該設(shè)計(jì)還可以與分立式設(shè)計(jì)一同用于信號(hào)隔離。

該設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于它可實(shí)現(xiàn)超過 80% 的效率，并且可選擇變壓器和 LDO 以根據(jù)具體設(shè)計(jì)考慮進(jìn)行優(yōu)化。SN6501 可提供最高 1.5W 的功率，如果其他器件需要隔離式電源，則可替換為功率高達(dá) 5W 的 SN6505。

隔離式電源的替代設(shè)計(jì)是使用帶有集成直流/直流轉(zhuǎn)換器的隔離式 RS-485 收發(fā)器，例如 ISOW1412 或 ISOW1432。該系列器件提供單芯片設(shè)計(jì)，在單個(gè) 20-SOIC 封裝中實(shí)現(xiàn)隔離器、收發(fā)器和隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器的功能。圖 4 所示為采用 ISOW1412 的完整信號(hào)和電源隔離設(shè)計(jì)。

ISOW14xx 系列的優(yōu)勢(shì)在于它無需在電路板上安裝變壓器，從而減小電路板尺寸，并且僅需一個(gè)單獨(dú)的隔離式元件就可以輕松進(jìn)行認(rèn)證。這種小型設(shè)計(jì)在效率上就有所折衷，因?yàn)榧傻叫酒械淖儔浩魈峁┳罡? 47% 的典型效率。采用集成電源設(shè)計(jì)時(shí)，由于變壓器尺寸更小，開關(guān)頻率更高，因此與分立式設(shè)計(jì)相比輻射會(huì)更高。雖然輻射高于 SN650x 設(shè)計(jì)，ISOW14xx 系列的設(shè)計(jì)確保能夠在兩層 PCB 上僅使用兩個(gè)鐵氧體磁珠就滿足 CISPR 32 B 類設(shè)備輻射限制要求。

結(jié)語

選擇合適的元件對(duì)于隔離式 RS-485 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說至關(guān)重要。選擇分立式還是集成式設(shè)計(jì)取決于尺寸、設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易性與效率、輻射之間的權(quán)衡。隔離式電源的分立式實(shí)現(xiàn)可提供更高效率和更低輻射，而集成設(shè)計(jì)為空間敏感型應(yīng)用提供了一個(gè)緊湊而簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。