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在RS485網路中使用隔離提升性能優勢

上網時間: 2010年03月26日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:RS485  隔離式  LTM2881 

從工業控制系統到路邊的交通訊息通告板,RS485網路是各類應用進行通訊的基礎。在高壓環境中,從人身安全和設備保護的角度出發,常常在通訊匯流排到邏輯控制器之間進行電氣隔離。

隔離對系統性能的正面影響遠非保護其免受危險電壓那麼簡單,但這點卻總是被人們忽略,事實上,隔離可以使通訊在嚴重地擾動和其它系統級雜訊存在的情況下不間斷、無差錯。

目前市場上有不同廠商提供的隔離式RS485收發器。這些解決方案大多數提供數據隔離,不提供驅動匯流排介面所需的隔離電源。用戶只好自己設計解決方案,但這需要笨重、昂貴的分離組件以形成隔離的DC/DC轉換器。總體尺寸、成本、功耗或複雜性可能使設計師不敢在系統中使用隔離,而系統卻可能從隔離中真正受益。

圖1: LTM2881 Isolated uModule Transceiver<p>
圖1: LTM2881 Isolated uModule Transceiver

凌力爾特公司新的隔離器微型模組(uModule)技術採用小型11.25mm x 15mm x 2.8mm表面安裝,提供一個完整的電源和數據隔離解決方案(圖1)。LTM2881包含一個可靠的隔離式RS485收發器和一個隔離式DC-DC 轉換器,能為匯流排介面電路和輔助電路提供高達1W的功率。這個微型模組收發器不需要外部組件,甚至去耦電容和一個可電通斷的網路終止電阻器也是內建的。對於為每個通訊節點的RS485網路設計隔離來說,易於使用和小的占位面積使LTM2881比以往任何時候都更有吸引力。

本文將討論在RS485網路中使用隔離帶來的性能好處,指出可能受益於隔離的網路特性,解釋為了最大化隔離系統的性能,如何在各種配線配置中進行權衡。

地與共模電壓干擾

開發和標準化RS485,是為了在地電位差高達±7V的收發器之間實現通訊。相對於任意節點的局部‘地’,匯流排上的訊號允許負責-7V至+12V的電壓。這些地電位差由各種情況引起,包括大地地電位變化,或受負載影響的其它電路所共用的接地迴路壓降。

在有些情況下,沒有直接聯繫的瞬態事件可能導致遠超過±7V的地電位改變。這些情況有可能在接收數據中導入差錯,或者更糟,去損壞收發器及有關的系統電路。恰當使用一個諸如凌力爾特LTM2881的隔離式收發器,可擴大所允許的共模電壓範圍(差分訊號線路相對於地的平均電壓),並保護電路免受560V連續高壓或持續60秒的3750VDC引起的損壞。當網路線路在建築物之間經過時,間接的閃電衝擊是常見的引起嚴重電壓干擾的原因。瞬態電壓抑制器(TVS)常常用來吸收非常高的瞬態電壓,同時用隔離提供附加的保護。沒有隔離,單次電壓突波可能損壞一個網路上的所有設備。

多次重複的地和訊號干擾,可能源自對鄰近RS485匯流排配線的60Hz AC電源線的耦合,或者60Hz電流可能傳導到共用地或電源線中。電腦、印表機、螢光燈、變速馬達驅動器和其他的電子非線性負載也會將顯著的頻率諧波導入功率分配中線、接地線和通訊網路線。正如下面的內容將顯示的那樣,這些干擾可能在 RS485網路中引起真實的數據差錯,而隔離可以減輕這個問題。

發送數據不被接受

圖 2:RS485 配線配置<p>
圖 2:RS485 配線配置

針對非隔離和隔離網路的RS485配線配置如圖2所示。為了方便起見,該圖顯示了點對點單向通訊,但是其中的理念也適用於多節點網路。圖2a顯示了一個用低成本5e類(Cat 5e)電纜實現的非隔離、無屏蔽雙絞線連接。圖3顯示,在驅動100英呎電纜並在驅動器和接收器之間導入一個地電位差時,在這個網路上的多個點捕捉的示波器波形。波形的顏色對應於圖2中探頭位置的顏色。接收器輸出端的所有訊號都相對於大地的地電位測量。

圖 3:圖2a非隔離網路的數據損失
圖 3:圖2a非隔離網路的數據損失

通道3(綠色)顯示在DI接腳進入發送驅動器的數據訊號,而通道4(紅色)是來自遠端收發器RO接腳的數據輸出,這個輸出應該跟隨該數據輸入,只是有傳輸延遲。

圖3上部的黃色波形是在具有7V幅度(14VPP)的地電位之間導入的正弦波電壓訊號。通道2(藍色)顯示穿過 100英呎電纜後在接收器負輸入端的‘B’訊號。疊加在大共模電壓訊號上的‘B’端數位數據與這個大共模電壓訊號相較,幾乎察覺不到。

圖3顯示出了很明顯的差錯。有兩種因素導致數據丟失,這兩種因素都與RS485接收器的有限共模抑制能力有關。首先,共模訊號的高頻分量(這?堣j約為1.2MHz)超過了大多數RS485接收器共模抑制的有效頻寬;其次,提供給接收器的共模訊號的幅度遠超過允許的-7V至+12V範圍。在這種情況下,在100英呎導線末端的訊號幅度將達到±20V的峰值,儘管在近端導入激勵的電壓峰值僅為±7V。這種幅度峰值在網路配線的諧振頻率上被大幅地提高了。請注意,這不涉及匯流排的差分特性,就像是一條傳輸線,但這是與共模阻抗有關的一種特性。諧振頻率是電纜長度、電纜配置(例如是繞成線圈的,還是直的)和所連接節點複阻抗的函數。有趣的是,由於頻率分量和幅度峰值,一個±7V的共模訊號就能夠破壞RS485訊號傳輸。


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