電子電路中隔離的全面介紹之
-----總線接口中隔離的應用（連載4）
一、隔離技術在RS485/422中的應用
RS485/RS422作為強健的接口標準，採用雙絞線電纜連接並具有寬共模電壓範圍內差分信號傳輸的低噪聲耦合特性，允許高達10Mbps信號傳輸速率下進行數據交換。儘管該標準已被廣泛接受，但是他在實際應用中的一些具體問題並沒有得到深入的認識，甚至存在著種種誤區（比如接地、隔離及瞬態保護並沒有在實際使用中得到正確的應用），以至影響到整個系統的性能。
對於RS485的隔離我們可以分四種方法：
第一種是比較傳統的光電隔離，一般會在CPU與RS485收發器之間用三個光耦（如：6N137）來分別隔離RX、TX、 RE/DE，外用DC-DC隔離電源分別給一次端、二次端供電。這種隔離方法的優點是：電路比較成熟，成本較低。缺點是：整個電路體積大，集成度不高，存在LED老化，影響速度等問題。
第二種是採用數字隔離器件，如可以選用ADI的ADuM141x, 也可選用TI的ISO72XX數字隔離器，來替代CPU 與RS485收發器之間的三個光耦。其它電路部分不變。這樣做的優點是：在一定程度上提高了電路的集成度,並且隔離性能也較光耦隔離有很大的增強。但還是需要雙電源供電。
第三種是採用ADI獨有的集成DC-DC隔離電源的數字隔離器ADuM5401, 以用來替代DC-DC隔離電源和三個光耦，優點是更加增強了電路的集成度，使隔離更為徹底。但仍然需要RS485收發器來與之共同完成RS485通訊。
第四種就是採用各大廠商的隔離型RS485的芯片，比如ADI的ADM2483、TI的ISO3082或NVE的 IL3585，但是這些雖然集成了隔離與RS485收發器，卻仍然需要雙電源供電。而ADI的新品ADM2587E/2582E，則完全集成了DC-DC 隔離電源、數字隔離器、RS485收發器。真正的實現了RS485的完全隔離。
以上各種電路的優勢各有不同，我們在實際的研發工作中，可以根據不同的情況而作出不同的選擇。
二、隔離技術在RS232接口中的應用
由於 RS232 標準主要應用於多個系統間的通信，因此總線和每個連接系統之間的隔離就十分關鍵。 數字隔離器可以 為 RS232 和連接的系統之間提供過電壓保護， 同時可以消除接地環路減小信號畸變和錯誤。 最簡單的情況下RS232 只要用三條線路就可實 現：TX（傳送數據）、RX（接收數據）、GND（接地）。但大部分的數字隔離器並不支持RS-232標準。
所以數字隔離器對RS-232的隔離應在CPU與RS232收發器之間，一般只需隔離RX（收）、TX（發）兩根線就可以 了。在以往的設計中，一般可以採用2個高速光耦（6N137）實現電氣上的隔離，1個DC-DC電源隔離模塊（+5V轉+5V）實現電源上的隔離，還需計算電阻值的大小以搭建出合理的收發器隔離電路。需要注意的是，RS232的隔離除了用高速光耦來實現數據隔離之外，還需電源隔離。否則，隔離將失去意義。 但這種隔離方式同樣存在體積大、集成度不高、LED老化等問題。
所以建議使用數字隔離器來隔離，可以選用ADI的ADuM1201或TI的ISO721, 以及其它各大廠商的數字隔離器，只要注意一下通道方向的分佈，各大廠商的數字隔離器是兼容的。
同樣，以上各種型號都需要DC-DC隔離電源來實現電源信號的隔離。
ADI的ADuM5241是一款集成了DC-DC隔離電源的雙通道數字隔離器，則使得電路更加簡化，可直接省去一個DC-DC隔離電源和2個6N137，只是注意一下ADuM5241的驅動能力。
現在ADI又推出了新品：ADM3251E.這款芯片與我們前面介紹的ADM2582E/ADM2587E差不多，只不過是這個是用在RS232隔離方案中，而且只提供一路收發。具有很強的保護能力，可適用於各種惡劣環境的RS232通信中。
三、隔離技術在CAN總線中的應用
CAN（控制區域網）屬於串行通信總線，適用於強健的實時控制應用，因此在工業、交通、控制、測量領域有極廣泛的應用。如果單個CAN--bus節點設計不當，就會導致總線通信不良，甚至因為收發器電路而破壞整個CAN網絡的穩定性。尤其CAN總線的工作場合經常十分惡劣，任 何一點不利的因素均有可能使CAN網絡崩潰，所以CAN--bus接地、隔離及瞬態保護是十分必要的。
CAN--bus的隔離與RS232的隔離方案基本相同，數字隔離器的應用是在CAN控制器與CAN收發器之間，而且大部分也是隔離RX （收）、TX（發）。所以應用於RS232隔離的型號都可用於CAN--bus的隔離。
但是ADI目前還沒有集成CAN收發器的數字隔離芯片，TI的ISO1050是一款集成了隔離的CAN收發器，在具體的應用中大家可以參考多種方案，以便選出最佳方案。
四、隔離技術在USB中的應用
USB是目前比較流行的一種總線通訊方式，在這裡推薦ADI的ADUM4160，專業的USB接口隔離芯片。有興趣的朋友可以參照下其介紹文章：
http://www.adum.com.cn/shownews.asp?id=65
五、瞬態保護
在實際工程使用中，使用了上述數字隔離方案的系統可靠性有了極大的提高，能消除噪聲並且防止電流在兩通信端之間流動，防止瞬態尖峰在系統內部的破壞性傳播。但是儘管數字隔離器件以內的電路系統沒有損壞，可是接口電路在有強烈的浪湧能量出現時，甚至可以看到收發器爆裂、線路板焦糊現象，雖然不至於影響整個系統的安全性，但也造成極大的不便。
出現該現象的原因：雖然隔離「切斷」了由電路路徑形成的環路，噪聲電壓只出現在隔離層上而非接收機或其他敏感組件上，但是接口電路必須要經過強烈能量的考驗。在接口端的瞬態干擾可能會有成百上千伏的電壓但持續時間很短，在切換大功率感性負載（電機、變壓器、繼電器），閃電等過程中都會產生幅度很高的瞬態干擾，如果不加以適當防護就會損壞接口。
對於總線上的這種瞬態干擾，可以採取瞬態仰制方法加以防護。實際應用中採用兩級防護措施；使用3個90V的陶瓷放電管 （3RM 090L -8）（可承受10/700μS，10/700μS為通信線路中感應出雷擊電壓波形，表示從零值上升到峰值的時間為10ms,下降至峰值一半的時間為700μS，8000V雷擊測試）進行共模防護、差模防護，此時過電壓被大大削弱到500V左右；再經過PTC（可採用100 -200m A、 耐壓250V以上的自恢復保險絲K250-120U）或20Ω左右的電阻限流。TVS瞬態抑制二極管的選擇可以根據芯片的工作電壓與耐壓決定，一般略高於 芯片最高工作電壓，RS485芯片可以選擇P6KE 15C A，RS232芯片可以選擇P6KE 18C A。
具體的關於瞬態保護的介紹，可以參照我的BLOG：
http://blog.ednchina.com/jerrymiao/118075/message.aspx
沒有留言:
張貼留言