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          幾種實現485隔離的方案

           RS485總線是一種使用平衡發送,差分接收實現通訊的通用串口通信總線,由于其具有抗共模干擾能力強、成本低、抗噪能力強、傳輸距離遠、傳輸速率高、可連接多達256個收發器等優點,廣泛應用于工業智能儀表,通訊設備等各個領域。

          RS485電路可以分為非隔離型和隔離型。隔離型電路是在非隔離型電路的基礎上增加隔離性能,使得電路具有更強的抗干擾性和系統穩定性。下面主要圍繞隔離型485電路進行簡單介紹。

          一.什么情況需要485隔離

          ?  當485通信接口外部節點連接高壓時,極易損壞后端電路,甚至可能會在使用端產生觸電;

          ?  當485通信節點距離太遠時,每個節點的參考地都接于本地的大地,當兩端大地之間存在較大的壓差時,地電勢會以共模電壓的方式疊加在信號線上,從而有可能超出端口可承受的共模電壓范圍,影響正常通信,甚至會損壞后端電路

          ?  當距離較遠的485通信節點之間的地平面利用線纜進行連接時(如485屏蔽電纜),地線會和大地形成地環路,該環路會耦合外部共模噪聲,并產生地環路電流,可能會導致整個電路系統失效。  

          二.實現485隔離的具體方案

          為了避免上述情況發生,我們可以使用485隔離電路以實現。下面介紹幾種常用485電路隔離方案。

          ?  利用光耦隔離實現485隔離

          最早的隔離器件為光耦隔離器。在基于CMOS的數字隔離器開發成功以前,市面上所有的隔離器件均為光耦隔離器件。下圖為使用傳統三個光耦隔離器實現的485隔離電路。

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          圖1 基于光耦隔離的485隔離電路

          ?  利用光耦+數字隔離實現485電路隔離

           由于普通的光耦隔離芯片只能適用于通訊速率較低的情況,那么在高速信號傳輸電路中,485使能信號可繼續使用光耦隔離器件對進行隔離,而數據信號通路則可使用高速數字隔離芯片NSi8121N1實現。相較于傳統光耦電路,系統傳輸速率提高,且降低了系統復雜度。下圖為利用光耦隔離和數字隔離共同實現的485隔離電路

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          圖2 基于光耦隔離和數字隔離的485隔離電路

          ?  利用數字隔離器實現485電路隔離

          只要有光耦隔離存在,就會有使用壽命短、抗共模能力弱、功耗高等缺點,仍極大的限制電路使用場景,而隔離電路全部使用數字隔離器能很好的避免這些問題。下面是使用NSi8131N1芯片實現的485隔離電路。

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          圖3 基于數字隔離的485隔離電路

          ?  利用NOVOSENSE 集成隔離485芯片實現485電路隔離

          相較于上述三種利用復雜外圍電路實現485電路隔離的方案,NSi8308x系列芯片僅需單顆芯片即可實現485隔離,并且提高了系統的可靠性,穩定性。NSi8308x系列芯片是蘇州納芯微電子推出的隔離型485芯片,內部集成了一個三通道電容隔離及一個485收發器,其中NSi83085用于半雙工485隔離,更高可達500kbps通信速率,同時具有低擺率的特點,能夠減少EMI輻射以及由于終端匹配不當引起的反射;NSi83086用于全雙工485隔離,更高可達16Mbps通信速率,可極大的減小系統PCB面積,簡化系統方案設計,提高系統的可靠性。NSi8308x的總線接口具有±16kV的系統級接觸放電ESD保護能力。具有失效保護電路,當接收器輸入開路、短路或者總線空閑時,接收器將輸出邏輯高電平。接收器的輸入阻抗為1/8單位負載,允許多達256個收發器掛在總線上。輸出驅動器提供了超大輸出電壓擺幅,從而保證了更高的噪聲容限。

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          圖4 集成式485隔離電路

          三.幾種485隔離電路對比

          下面是針對上述幾種485隔離方案的各項指標對比

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          圖5 幾種485隔離電路面積對比

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          表1 幾種485隔離電路性能對比

          四.485 EMC保護電路

          雖然隔離能有效抑制高共模電壓,但總線上還可能存在浪涌、雷擊及短路等問題存在,所以在EMC等級要求比較高的系統中,需要在總線上再采取一定的保護措施。NSi8308x的總線接口具有±16kV的系統級接觸放電ESD保護能力??缭礁綦x帶的浪涌能力能夠達到+-8kV。具有失效保護電路,當接收器輸入開路、短路或者總線空閑時,接收器將輸出邏輯高電平。如果有更高的EMC保護需求,也可以通過增加外圍電路來提高。給你介紹一種以NSi83085為例實現更高的 485EMC保護電路的方法。下圖以NSi83085為例介紹一種實現485 EMC保護電路的方法。

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          圖6  485 EMC保護電路

           NSi8308x具有內部失效保護電路,當接收器輸入開路或短路、或者掛在終端匹配總線上的所有發送器都禁用時,接收器將輸出邏輯高電平;此外,/RE及DE引腳有內置下拉電阻,D引腳有內置上拉電阻。因此,在所有輸入引腳及總線上無需加任何上下拉電阻即可保證發送、接收狀態確定。在A、B總線之間加一個120Ω電阻用以終端阻抗匹配,只有通訊距離較長的系統中的個節點和最后一個節點才會加這個匹配電阻。

          當外部瞬態大電壓/電流信號(如雷擊)感應到A、B線上時,先經過保險絲,防止當RS-485總線與電源線搭短路時燒掉后續電路;然后用氣體放電管(GDT)進行初級防護,將高壓信號降低到1kV以下,通常GDT可以承受10kA(8x20us)浪涌沖擊;然后TVS作為二級保護,將總線電平鉗制到7.5V以下。由于GDT響應時間較長,在一級防護和二級防護之間需再加TBU器件,以限制GDT未響應時會有過流信號燒壞TVS管。通常,對于4kV以下過電壓,可以省去初級保護GDT,單用TVS就能實現浪涌保護的要求。

          五.總結

           隔離型485電路可有效將系統中高壓區域與安全區域隔離,以保證設備及人身安全;并斷開長距離傳輸信號的地回路,以避免地環路和共模信號的影響,因而越來越多的應用于485系統中。

           蘇州納芯微的半雙工隔離RS-485芯片NSi83085及全雙工隔離RS-485芯片NSi83086具有高可靠性、高隔離耐壓、高共??箶_、以及高集成度的特點,其能夠承受較為復雜的EMC環境,如ESD、EFT、浪涌等;隔離耐壓值可達到符合UL1577標準的5kVrms,CMTI達到150kV/us;內部集成了數字隔離和RS-485驅動兩種功能設計,可大幅簡化系統設計復雜度,并減少系統PCB的面積,是實現485隔離的更佳選擇。


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