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详析如何在RS-485节点中隔离信号和电源

02/27 10:40
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RS-485节点中隔离信号和电源,为实现最佳配置,针对小尺寸、低功耗、数据速率、EMI和物料成本等系统要求,带来设计上的挑战。光耦合器等传统的分立解决方案存在失效寿命方面的问题,而且光耦合器技术本身的物理特性决定了每通道隔离的功耗较高,业界就这些问题已有详细论述。

此外,光耦合器技术的成本会随着数据速率提高而大幅度提高,制造复杂度也会随着器件数量增加而提高。分立式隔离DC/DC转换器的实现需要设计人员具备变压器设计知识,能够将隔离DC/DC转换器的其它电源器件与变压器匹配。设计易受这些器件相关的寄生电阻电感电容影响。幸运的是,如今有了新型高集成度隔离式收发器解决方案,能够解决这些设计挑战。

过去七年来,ADI开发出了一系列创新的集成式隔离RS-485收发器,它们集ADI先进的RS-485接口技术与iCoupler®数字信号隔离技术于一体,最近还结合了ADI的isoPower®隔离式DC/DC转换器技术。这些隔离式收发器产品设计用于恶劣环境下的众多应用,例如:工业自动化、太阳能和风能、仪器仪表、电力线监控等。使用该系列产品的工业通信协议包括Profibus、Interbus、Modbus、BacNet等。

该系列集成式隔离RS-485/422收发器根据电源链的系统分割,尤其是隔离总线电压源,为设计人员提供最佳的集成解决方案选择。

针对隔离RS-485节点的电源链分割,ADI大致提供三类解决方案:

完全集成的信号和电源隔离RS-485/422解决方案

集成信号隔离和集成变压器驱动器(部分电源链集成)

支持灵活选择总线侧电压源的信号隔离式RS-485/RS-422收发器

图1. 典型的RS-483/RS-422隔离

图1显示了ADI ADM2587E的紧凑配置,它是一款集成式信号和电源隔离RS-485收发器。如此高的集成度通过ADI的iCoupler®和isoPower隔离技术实现,二者的结合使这款产品具备出色的性能,比传统解决方案更易使用、尺寸更小,相同RS-485负载所需的输入功率更低。ADM2587E/ADM2582E信号和电源隔离RS-485收发器采用20引脚宽体SOIC封装,是业界小尺寸的解决方案;也是兼容大规模表贴制造技术的集成式信号和电源隔离RS-485/RS-422收发器。对于设计时间紧迫、设计尺寸受限的客户,这些产品堪称理想之选。

2007年,ADI推出小尺寸的Profibus兼容信号隔离RS-485收发器ADM2485,它集成变压器驱动器,并采用16引脚宽体SOIC封装。ADM2485是ADI提供的集成变压器驱动器功能的三款隔离式RS-485收发器中的一款。图2显示ADM2485驱动变压器的原边,向总线侧电路输送隔离电源

图2. 带电源的RS-485/RS-422隔离

图2所示的配置具有很高的效率,5 V输入电源下的典型效率为81%,适合具有严格温度限制的设计。外部变压器支持DC/DC转换器以500 kHz频率工作,这为辐射要求非常苛刻的设计提供了一种低EMI解决方案。对于系统设计人员,图1和图2所示解决方案的主要区别在于:前者尺寸更小、易于使用,后者则提供更高的效率和频率更低的辐射频谱。

在典型的可编程逻辑控制器设计中,I/O和通信端口需要多种多样的隔离电源。这就要求定制电源,从同一变压器内核产生多个隔离电源,如±15 V、5 V和3.3 V电源。这种情况下,最经济的选择是仅集成信号隔离的隔离式RS-485收发器,例如隔离式Profibus兼容型RS-485收发器ADM2486,从而既能灵活地选择现有5 V或3.3 V隔离电源,也能利用变压器上的单独绕组来产生总线侧隔离电压。图3所示为一个简化的分立DC/DC转换器,它说明了这种配置如何配合ADM2486收发器使用。

图3. 带电源和外部开/关功能的RS-485/RS-422隔离

ADI的隔离式RS-485/RS-422收发器系列产品还提供最高达20 Mbps的多种数据速率,一条总线上最多可连接256个节点,并且提供半双工和全双工工作模式。此外,该系列集成式隔离RS-485收发器全都通过UL、VDE认证,CSA认证可应要求提供。根据产品的隔离额定值(2.5 kV rms或5 kV rms),这些产品100%经过3000V rms或6000 V rms生产测试。

ADI公司的集成式RS-485隔离型收发器产品组合提供良好的灵活性和性能,能够满足系统设计要求,与光耦合器方法相比具有许多优势。iCoupler变压器技术自2001年投入量产,出货量已超过40亿通道,其可靠性毋庸置疑。iCoupler的使用寿命超过50年,不存在传统的损耗问题,而这一点正是光耦隔离技术的根本缺陷。

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亚德诺半导体全称为亚德诺半导体技术有限公司(analog devices,inc.)简称ADI。是一家专营半导体传感器和信号处理ic的卓越的供应商,ADI将创新、业绩和卓越作为企业的文化支柱,并基此成长为该技术领域最持久高速增长的企业之一。ADI是业界卓越的半导体公司,在模拟信号、混合信号和数字信号处理的设计与制造领域都发挥着十分重要的作用。

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