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485隔离

485隔离

本文重点?讨论符合RS-485标准(目前仍是业内最主要的数据传输标准)的隔离式数字接口,∈并将提?出RS-485共模电压°范围(CMVR)的定义,解释应怎样隔离收发器的讯号和2供电通路与本地控¬制器电路,才能使其承受巨大的共模电压。

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隔离是防止电流?在两个通讯点之间流动,但允许-数据和功率讯号在?其间传输的一种手段。隔离可防止高?电?压对敏感电子组件造成损坏或对人造成伤害,另外它还可以透过大的地电位差消除通讯链路中的接地回路℅,来保持讯号完整性。

过去十年,法规发生了变化,要求在恶劣环境中运行的机?器和设备对<其数据传输系统实施隔∝离。现在的趋势是从原来的mol单?信道隔离?式系?统向利用多信道隔离技术的?应用转㏄变,由此产生了新型隔?离组件。这些应∮用中有许多涉及电信、工业网络、医疗∽系∴统、传感器接口、电机控制和驱动系统,以及仪表中?的数据?传输。

本文重点讨论符合R?S-485标准(目前仍是业内最主要的数据♀传输标?准)的隔离式数字接口,并将提出RS-485共模电压范围(CMVR)的定义,解释应怎样隔离收发器的讯号和供电通路与本地控制器?电路,才能?使¥其承受巨大的共模电压。最后,本文将介绍一种基于巨磁阻(GMR?)技术的新型RS-485隔离器,并讨论其相对于其他隔离技术的优点。

共模?电压范围

RS-485标准规定的≥共模电压范围为-7V~+12V。图1显示了该范围,包括驱动≠器输出共模电?压(VOC)?、驱动器和接收器地线(GPD)间的接地电位差和纵向耦合噪声(V≮N)。

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?图1 非隔离式RS≈-485数据链路中的㎏VCM:V?CM = V?OC + GPD + ?V∷N

驱动器用于∥产生围绕共模分量VCM=VCC/≡2的对称差分输出(VD¥),使得在一个输出端的线?路电压VA=VCC?/2±VD/2,在互补输出端的电压VB=VCC/2?VD/2。

接收器仅处理规定CMVR范围内的¤差分讯号,并抑制共模分量。这透过等量减弱共模和差分∏讯号的内部分压器来实现(图2),然后用差分比较器在两个减弱输入讯号之间建立压差,从而只放大?差分分量。

分压器代表每个接收器输入和接㎞收器地线之间的共模电阻(RCM),所以数据链路的整个共模电压会在这些电阻?上下降。这意味着对于标准收发器?,其接收器必须准确地检测整个CMVR范围(-7V?~+12V)?内的差分输入电压。

为适应较高的共*模电压(VCM),如&plus≦mn;25V,收发器总线I◎/O级经过重新设计,使驱动器输出晶体管⊕具有较高的峰?值电压,接收器分μ压器具有较高的分压比,这就需要更高的电阻值。‰

对于非?常高的共模电压(如几百 V),则需要插入电流隔⊙离势垒(galvanic∨ isolaon barrier),以消除收发?器总线端子?上的高电压。

?图2 接收器等效电路图(a),其共模表示(b)和进一步简化的VCM等效电路(c)

隔离扩大CMVR

图3所示为隔离式数据链路,仅接收器与其本∫地控制器485隔离隔离,正确的电流隔离∧必须包括电源和数据线路。对于电源埠,隔离m式D?C/?DC转换器可将以大地为参考的微控制器电源轨VCC2﹤和″GND2转换为收发?器的隔离浮动电源??轨VCC2-ISO和GND2-ISO。

数据路径隔离透过?数字讯号隔离器(ISO)提供。隔离器的总线侧由VCC2-ISO和GND2-?I〒SO供电,隔离器的控制器侧由∵VCC2和GND2供电。

因£为电流总是返回电源,所以接收器的隔离电源轨与驱动器的?非隔离电源?轨之间不会相互影响。

图?3 隔离式RS-485数据链路的V?CM

图3清楚地显示了以1大地为参考的地线GND1与GND2∶之间仍然存在接地电位差(GPD),如∞同讯号对导?体与G㏕NDm2之间的※共模电压?一样。然?而,隔离势垒×已将接收器地线与GND2解耦,从而将其转换为浮动地线(GND2-ISO)。

图?4的隔?离式接收器节点的共模等效电路解释了这种设计。因为隔离势垒的巨大电阻(RI?SO=1014&O?mega;)?是与阻值小很多的接收器共≤模电阻(RCM=105oΩ)串联,整个VCM在RISO上实现了压降,消除了接收器上的共模影响(VRcm=0V)。另外,GND2-IS?O电位可跟踪接收器输入电压,因此无需担心超出接收器的最大输入电压(相对于接收器地′线)。由于VCC2-ISO还以GN?D2-ISO为参考,所以?无论共模电压水平如何?,隔离式接收3器上的供电电压值?都会保持在合适水平。

图4 RISO上的VC‖M压降

请注意,图3和图4显示了仅对接收器(Rx)数据路径的隔离。隔离式RS-485节点需要四个通道(图5)来处>理发射和接收数据路径,以及发射和接收启用讯3号。

图5 隔离式RS-485总线节点=

在点对点连接中,为防止接地回路,只隔离一个节点(另一个节点不隔离)⊥已经足够。但在多点数据链路中,常见做法是隔离所有总线节点,以重复利用电路节点设∷计,简化?PCB?生产。图6是×隔离式多点总线的示例。

图6 隔离式多点总线

最新的RS-485隔离方法将隔离器与收发器功能整合在一个芯片中,在总线节点设计显著节省了空间。图7中的ISL32704E隔?离器采用的是GMR技术,㏒这可实%现最小但最?稳健的隔离结构,从而进一步实现小型化设计。

图7 4Mbps、2.5kV RS-÷485@隔离器

例?如,利用优化的布局和设计技术能够制造图7所示的4TImes;5m?m?隔离器Q?SOP﹣封装,并在440?00年势垒寿命期间维持?600V的巨大工作电压。这比提供2℉.5£kV功能?隔离的竞争技术?的400V工∩作电压高了/一半。另外∟,该组件已通过UL和VDE?认证。

图8显示GMR隔离器的工作原理。其中,缓冲输入讯号驱动主线♂圈,线圈产*生的磁?场可改变GMR电阻器1-4的阻≯值。GMR1至?GMR4形成惠斯通?电桥(Wh§℃eatstone bridge),产生仅对主线?圈磁场变化做出反应的电桥输出电压。不过,大的外部磁场被视为共模场,并因此被电桥配置抑制,电桥输出被馈入比较器,该比较器的输?出讯号的㈱相位?和形状与输入讯号完全相同。

图8 单通道GMR隔离器

图9描述了单个+GMR电阻器的功能。该电阻器由铁磁合金层B¢1㎡和B2,以及夹于其≧间的超薄非磁性导电中间层A(通常为铜)组成。根据GMR的结构设计,在没有磁场的∑情况下,B1和B2中的磁矩朝向 ?相反的方向,使重电子散射在A层?上,从≌而大幅增加其对电流I的电阻。当施加磁场H时,B1和B2中的磁矩对齐,从?而减轻电子散射现?象,这会降低A层的电?阻并增⌒加电流。

图9 多?层GMR电?阻器

电容性和磁性隔离器必须使用RF载波或脉冲?宽度调变(P?WM)来穿过势垒传送DC和低频讯号,GMR隔离器则无需此类复杂的编码。它们也不包含会消耗极大电流的电力输送线圈或变压器,因为其讯号传输几乎不消耗能量。以上因素不仅可以?使电流消耗显著降低(表1∣),还使发射光谱的辐射低到几=乎检测不∪∠到(图ml10)。此?外,﹥由于GMR隔离器没有RF载﹢波的%脉冲列干扰,其EMI非?㏑常﹢低。

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表1 ㎝供电电流随数据速率的增加而增加

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图10 几乎检测不到GMR隔离器辐射

结≒论

GMR不只是一种普通的隔离技术,而是用于高速和?超高速数据传输系统的隔离技术。其⊿几乎无需能量的信息传输和微?小的外形,可保证势垒?传㎎播时间?在亚奈秒(ns)级范围之内。ISL32704E数据表中规定的n﹣?s $级传?播?延迟主要归功于I/O缓√冲器和收发·器。

GMR隔离器№并不取代光隔离器(适合DC至1Mbps应用),而是在高和超高频率应用中提供补充隔离功能。GMR隔离器是唯一能够抵抗单粒℡子效应和电离总剂量辐±射的隔离器,因此还适于航天和军工应用。

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