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深入探討隔離式RS-485收發(fā)器

發(fā)布時(shí)間:2017-09-01 來(lái)源:Thomas Kugelstadt 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】本文討論了符合RS-485標(biāo)準(zhǔn)的隔離式數(shù)字接口,給出了RS-485共模電壓范圍(CMVR)的定義,并解釋了應(yīng)怎樣將收發(fā)器的信號(hào)和供電通路與本地控制器電路隔離開(kāi)來(lái),才能使其承受巨大的共模電壓。
 
隔離是防止電流在兩個(gè)通信點(diǎn)之間流動(dòng)、但允許數(shù)據(jù)和功率信號(hào)在其間傳輸?shù)囊环N手段。隔離可防止高電壓對(duì)敏感電子元件造成損壞或?qū)θ嗽斐蓚?。另外它還可以通過(guò)大的地電位差消除通信鏈路中的接地回路,以保持信號(hào)完整性。
 
過(guò)去十年法規(guī)發(fā)生了變化,要求在惡劣環(huán)境中運(yùn)行的機(jī)器和設(shè)備對(duì)其數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實(shí)施隔離?,F(xiàn)在的趨勢(shì)是從原來(lái)的單通道隔離式系統(tǒng)向利用多通道隔離技術(shù)的應(yīng)用轉(zhuǎn)變,由此產(chǎn)生了新型隔離器件。這些應(yīng)用中有許多涉及電信和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療系統(tǒng)、傳感器接口、電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及儀表中的數(shù)據(jù)傳輸。
 
本文將重點(diǎn)討論符合RS-485標(biāo)準(zhǔn)(目前仍是業(yè)內(nèi)最主要的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn))的隔離式數(shù)字接口。我們會(huì)給出RS-485共模電壓范圍(CMVR)的定義,并解釋?xiě)?yīng)怎樣將收發(fā)器的信號(hào)和供電通路與本地控制器電路隔離開(kāi)來(lái),才能使其承受巨大的共模電壓。最后,我們將介紹一種基于巨磁阻(GMR)技術(shù)的新型RS-485隔離器,并討論其相對(duì)于其它隔離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。
 
共模電壓范圍
 
RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的共模電壓范圍為-7V至+12V。圖1顯示了該范圍,包括驅(qū)動(dòng)器輸出共模電壓(VOC)、驅(qū)動(dòng)器和接收器地線(GPD)間的接地電位差和縱向耦合噪聲(VN)。
 
深入探討隔離式RS-485收發(fā)器
圖1:非隔離式RS-485數(shù)據(jù)鏈路中的VCM:VCM = VOC + GPD + VN。
 
驅(qū)動(dòng)器用于產(chǎn)生圍繞共模分量VCM = VCC/2的對(duì)稱(chēng)差分輸出(VD),使得在一個(gè)輸出端的線路電壓VA = VCC/2 ± VD/2,在互補(bǔ)輸出端的電壓VB = VCC/2 ? VD/2。
 
接收器僅處理規(guī)定CMVR范圍內(nèi)的差分信號(hào),并抑制共模分量。這通過(guò)等量減弱共模和差分信號(hào)的內(nèi)部分壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)(圖2)。然后用差分比較器在兩個(gè)減弱輸入信號(hào)之間建立壓差,從而只放大差分分量。 分壓器代表每個(gè)接收器輸入和接收器地線之間的共模電阻(RCM),所以數(shù)據(jù)鏈路的整個(gè)共模電壓會(huì)在這些電阻上下降。這意味著對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)器,其接收器必須準(zhǔn)確地檢測(cè)整個(gè)CMVR范圍(-7V至+12V)內(nèi)的差分輸入電壓。
 
為適應(yīng)較高的共模電壓(VCM),如±25V,收發(fā)器總線I/O級(jí)經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì),使驅(qū)動(dòng)器輸出晶體管具有較高的峰值電壓,接收器分壓器具有較高的分壓比,這就需要更高的電阻值。
 
對(duì)于非常高的共模電壓(如幾百伏),則需要插入電流隔離勢(shì)壘(galvanic isolation barrier),以消除收發(fā)器總線端子上的高電壓。
 
深入探討隔離式RS-485收發(fā)器
圖2:接收器等效電路圖(a),其共模表示(b)和進(jìn)一步簡(jiǎn)化的VCM等效電路(c)。
 
隔離擴(kuò)大CMVR
 
圖3所示為隔離式數(shù)據(jù)鏈路,僅接收器與其本地控制器隔離。正確的電流隔離必須包括電源和數(shù)據(jù)線路。對(duì)于電源端口,隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器可將以大地為參考的微控制器電源軌VCC2和GND2轉(zhuǎn)換為收發(fā)器的隔離浮動(dòng)電源軌VCC2-ISO和GND2-ISO。
 
數(shù)據(jù)路徑隔離通過(guò)數(shù)字信號(hào)隔離器(ISO)提供,隔離器的總線側(cè)由VCC2-ISO和GND2-ISO供電,隔離器的控制器側(cè)由VCC2和GND2供電。 因?yàn)殡娏骺偸欠祷仉娫?,所以接收器的隔離電源軌與驅(qū)動(dòng)器的非隔離電源軌之間無(wú)相互影響。
 
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圖3:隔離式RS-485數(shù)據(jù)鏈路的VCM。
 
深入探討隔離式RS-485收發(fā)器
圖4:RISO上的VCM壓降。
 
圖3清楚地顯示了以大地為參考的地線GND1與GND2之間仍然存在接地電位差,如同信號(hào)對(duì)導(dǎo)體與GND2之間的共模電壓一樣。然而,隔離勢(shì)壘已將接收器地線與GND2解耦,從而將其轉(zhuǎn)換為浮動(dòng)地線(GND2-ISO)。
 
圖4的隔離式接收器節(jié)點(diǎn)的共模等效電路解釋了這種設(shè)計(jì)。因?yàn)楦綦x勢(shì)壘的巨大電阻(RISO = 1014Ω)是與阻值小很多的接收器共模電阻(RCM = 105Ω)串聯(lián),整個(gè)VCM在RISO上實(shí)現(xiàn)了壓降,消除了接收器上的共模影響(VRcm = 0V)。另外,GND2-ISO電位可跟蹤接收器輸入電壓,因此無(wú)需擔(dān)心超出接收器的最大輸入電壓(相對(duì)于接收器地線)。由于VCC2-ISO還以GND2-ISO為參考,所以無(wú)論共模電壓水平如何,隔離式接收器上的供電電壓值都會(huì)保持在合適水平。
 
請(qǐng)注意,圖3和圖4顯示了僅對(duì)接收器(Rx)數(shù)據(jù)路徑的隔離。隔離式RS-485節(jié)點(diǎn)需要四個(gè)通道(圖5)來(lái)處理發(fā)射和接收數(shù)據(jù)路徑,以及發(fā)射和接收啟用信號(hào)。
 
深入探討隔離式RS-485收發(fā)器
圖5:隔離式RS-485總線節(jié)點(diǎn)。
 
在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接中,為防止接地回路,只隔離一個(gè)節(jié)點(diǎn)(另一個(gè)節(jié)點(diǎn)不隔離)已經(jīng)足夠。但在多點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈路中,常見(jiàn)做法是隔離所有總線節(jié)點(diǎn),以重復(fù)利用電路節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì),簡(jiǎn)化PCB生產(chǎn)。圖6是隔離式多點(diǎn)總線的示例。
 
深入探討隔離式RS-485收發(fā)器
圖6:隔離式多點(diǎn)總線。
 
最新的RS-485隔離方法將隔離器與收發(fā)器功能整合到一個(gè)芯片中,在總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中顯著節(jié)省了空間。圖7中的ISL32704E隔離器采用的是GMR技術(shù),這可實(shí)現(xiàn)最小但最穩(wěn)健的隔離結(jié)構(gòu),從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)。
 
深入探討隔離式RS-485收發(fā)器
圖7:4Mbps、2.5kV RS-485隔離器。
 
例如,利用優(yōu)化的布局和設(shè)計(jì)技術(shù)能夠制造圖7所示的4 x 5mm隔離器QSOP封裝,并在44000年勢(shì)壘壽命期間維持600V的巨大工作電壓。這比提供2.5kV功能隔離的競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)的400V工作電壓高了一半。另外,該器件已通過(guò)UL和VDE認(rèn)證。
 
圖8顯示了GMR隔離器的工作原理。其中,緩沖輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)主線圈,線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)可改變GMR電阻器1-4的阻值。GMR1至GMR4形成惠斯通電橋,產(chǎn)生僅對(duì)主線圈磁場(chǎng)變化做出反應(yīng)的電橋輸出電壓。不過(guò),大的外部磁場(chǎng)被視為共模場(chǎng),并因此被電橋配置抑制。電橋輸出被饋入比較器,該比較器的輸出信號(hào)的相位和形狀與輸入信號(hào)完全相同。
 
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圖8:?jiǎn)瓮ǖ繥MR隔離器。
 
深入探討隔離式RS-485收發(fā)器
圖9:多層GMR電阻器。
 
圖9描述了單個(gè)GMR電阻器的功能。該電阻器由鐵磁合金層B1和B2、以及夾于其間的超薄非磁性導(dǎo)電中間層A(通常為銅)組成。根據(jù)GMR的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在沒(méi)有磁場(chǎng)的情況下,B1和B2中的磁矩朝向相反的方向,使重電子散射在A層上,從而大幅增加其對(duì)電流I的電阻。當(dāng)施加磁場(chǎng)H時(shí),B1和B2中的磁矩對(duì)齊,從而減輕電子散射現(xiàn)象。這會(huì)降低A層的電阻并增加電流。
 
電容性和磁性隔離器必須使用RF載波或脈沖寬度調(diào)制(PWM)來(lái)穿過(guò)勢(shì)壘傳送DC和低頻信號(hào),GMR隔離器則無(wú)需此類(lèi)復(fù)雜的編碼。它們也不包含會(huì)消耗極大電流的電力輸送線圈或變壓器,因?yàn)槠湫盘?hào)傳輸幾乎不消耗能量。以上因素不僅可以使電流消耗顯著降低(表1),還使得發(fā)射光譜的輻射低到幾乎檢測(cè)不到(圖10)。此外,由于GMR隔離器沒(méi)有RF載波的脈沖列干擾,其EMI非常低。
 
深入探討隔離式RS-485收發(fā)器
表1:供電電流隨數(shù)據(jù)速率的增加而增加。
 
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圖10:幾乎檢測(cè)不到GMR隔離器輻射。
 
結(jié)論
 
GMR不只是一種普通的隔離技術(shù),更是用于高速和超高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的隔離技術(shù)。其幾乎無(wú)需能量的信息傳輸和微小的外形可保證勢(shì)壘傳播時(shí)間在亞納秒級(jí)范圍之內(nèi)。ISL32704E數(shù)據(jù)表中規(guī)定的納秒級(jí)傳播延遲主要?dú)w功于I/O緩沖器和收發(fā)器。
 
GMR隔離器并不取代光隔離器(適合DC至1Mbps應(yīng)用),而是在高和超高頻率應(yīng)用中提供補(bǔ)充隔離功能。GMR隔離器是唯一能夠抵抗單粒子效應(yīng)和電離總劑量輻射的隔離器,因此還適于航天和軍工應(yīng)用。
 
作者:Thomas Kugelstadt,Intersil公司
 
本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
 
 
 
 
 
 
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