如何隔離 RS-485 以實(shí)現(xiàn)最小的尺寸和最高的可靠性

對 RS-485 端口進(jìn)行電隔離

幾十年來，RS-485 一直是業(yè)界常用的有線通信接口。RS-485的平衡差分信號傳輸特性可抑制共模噪聲，并能在嘈雜的工業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。因此，RS-485 成為大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用（例如工廠自動化、保護(hù)繼電器、電能表、電機(jī)驅(qū)動器和樓宇自動化）中常見的通信端口。

TIA/EIA-485-A 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定兼容收發(fā)器必須在 ±7V 接地電位差 (GPD) 下工作。如圖 1-1 所示，接收器總線引腳上的共模電壓 (Vcm) 是 GPD、驅(qū)動器輸出共模電壓 (Voc) 和總線引腳的任何共模耦合噪聲 (Vn) 的總和。隨著節(jié)點(diǎn)之間通信距離的增加使 GPD 更高，亦或工業(yè)環(huán)境變得更加嘈雜使更多共模噪聲在總線上耦合，接收器總線引腳上的共模電壓會超出其建議的工作條件。這樣，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞或收發(fā)器損壞。

如圖 1-2 所示，在 RS-485 收發(fā)器信號和電源路徑中實(shí)現(xiàn)電隔離可解決此問題。由于隔離柵阻抗 (>10¹²Ω) 遠(yuǎn)大于 RS-485 接收器的輸入阻抗，因此任何與 GND2 有關(guān)的電壓主要分布在隔離柵兩端。隔離允許在接收 MCU 和浮動收發(fā)器之間進(jìn)行信號傳輸，同時處理 GND1 和 GND2 之間的較大接地電位差。

傳統(tǒng)解決方案

一直以來，系統(tǒng)設(shè)計人員使用基于光耦合器的解決方案在具有較大 GPD 的節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信。如圖 1-3 所示，一個典型的實(shí)現(xiàn)方案需要一個 RS-485 收發(fā)器、2 個用于傳輸和接收數(shù)據(jù)的高速光耦合器、一個用于方向控制的低速光耦合器、2 個用于驅(qū)動光耦合器 LED 的施密特緩沖器、1 個用于清除低速光耦合器慢速邊沿的施密特觸發(fā)器、幾個用于正確偏置的電阻器和幾個旁路電容器。

光耦合器解決方案面臨的挑戰(zhàn)是需要使用大量外部元件來實(shí)現(xiàn) RS-485 端口隔離，這會增加電路板面積并帶來了潛在的可靠性問題?；?SiO2 集成型隔離式 RS-485 解決方案為需要緊湊的設(shè)計和更低的時基故障 (FIT) 率的設(shè)計人員提供了一種緊湊而可靠的方案以替代光耦合器解決方案。

集成型隔離式 RS-485 收發(fā)器

TI 為各種終端應(yīng)用提供了多種基于不同隔離等級的隔離式 RS-485 收發(fā)器。ISO1410 是一款集成 IEC ESD 和 EFT 保護(hù)的抗噪聲收發(fā)器，采用業(yè)界通用的 16 引腳 SOIC 封裝。ISO1410 提供符合符合 UL 1577 標(biāo)準(zhǔn)的 5kVRMS 隔離額定值和符合 VDE 的 1500Vpk 隔離工作電壓。某些應(yīng)用僅需要基本隔離即可在接地電位差高于標(biāo)準(zhǔn)定義的 ± 7V 的節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信。ISO1500 在微型 SSOP-16 封裝中集成了隔離式 RS-485 端口的完整功能。ISO1500 提供符合 UL 1577 標(biāo)準(zhǔn)的 3 kVrms 隔離額定值和符合 VDE 的 566Vpk 隔離工作電壓。

解決方案尺寸比較

下圖展示了光耦合器解決方案（圖 1-4）、采用常見 16-SOIC 封裝的隔離式 RS-485 解決方案（圖 1-5）和使用 ISO1500 的解決方案（圖 1-6）三者之間的布局比較。ISO1500 與光耦合器解決方案和采用 16-SOIC 封裝的解決方案相比，將解決方案的電路板面積分別減小了高達(dá) 85% 和 50%。

ISO1500 的微型封裝和強(qiáng)大功為那些需要對 RS-485 通信端口進(jìn)行接地環(huán)路基本隔離，并且布板空間有限的設(shè)計，提供了一個令人信服的工業(yè)應(yīng)用解決方案。

可靠性比較

除了節(jié)省 PCB 空間外，以下是 ISO1500 和 ISO1410 提供的一些優(yōu)于光耦合器解決方案的其他優(yōu)勢：

1. 隔離柵具有的可靠性：ISO1500 基于 TI 的 SiO2 隔離技術(shù)，其中由 SiO2 電介質(zhì)制成的高壓電容器可提供高水平的隔離。高壓電容器采用良好控制的半導(dǎo)體工藝制造，并且器件間差異非常小。另外，時間相關(guān)電介質(zhì)擊穿 (TDDB) 技術(shù)很好地定義了隔離柵的壽命。另一方面，光耦合器具有很大的制造不確定性，并且標(biāo)準(zhǔn)中沒有明確的方法來計算器件壽命。下述白皮書提供了有關(guān) TI SiO2 隔離技術(shù)壽命可靠性的詳細(xì)說明： 實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和可靠的高壓信號隔離
2. 在更高的環(huán)境溫度下可靠運(yùn)行：大多數(shù)光耦合器的額定溫度最高可達(dá) 85°C。市場上有額定溫度為 105°C 的光耦合器，但罕見且高昂。ISO1500 的特征是擴(kuò)展工業(yè)溫度范圍為 –40 至 125°C ，使電機(jī)驅(qū)動等應(yīng)用在器件建議的最高環(huán)境溫度內(nèi)游刃有余得運(yùn)行。這可以在靠近 RS-485 端口的高功耗電路（例如絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 功率級）存在的情況下實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行。
3. 瞬態(tài)噪聲存在的情況下可靠運(yùn)行：市場上可用的光耦合器的典型 CMTI 為 15kV/us 至 25kV/us。這意味著如果 1 側(cè)到 2 側(cè)之間的噪聲變化速度超過 15-25kV/us，則隔離柵中的數(shù)據(jù)通信可能會被破壞。ISO1500 提供的典型 CMTI 為 100kV/us。這是對可靠數(shù)據(jù)傳輸和更好的抗噪能力的直接衡量。ISO1500 對瞬態(tài)噪聲具有穩(wěn)健性，因?yàn)槠浼闪擞糜?HBM ESD、IEC ESD 和 IEC EFT 的總線側(cè)保護(hù)電路。

結(jié)論

存在較大 GPD 的情況下，遠(yuǎn)距離的可靠通信是設(shè)計 RS-485 端口的一個重要考慮因素。隨著越來越多的應(yīng)用朝著小型化方向發(fā)展，采用光耦合器的傳統(tǒng)解決方案會占用大量 PCB 布板空間。

ISO1500 采用 4.90mm x 3.90mm SSOP 微型封裝，其電源引腳僅需要 3 個旁路電容器形式的外部元件即可實(shí)現(xiàn)全部功能，而基于光耦合器的實(shí)施方案需要 19 個元件。緊湊的解決方案尺寸以及卓越的隔離性能和瞬態(tài)噪聲抗擾度使該器件成為空間受限的工業(yè)應(yīng)用一個極具吸引力的選擇。