RS-485現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)字隔離選型有哪些考慮

RS-485系統(tǒng)通常用于連接多個(gè)系統(tǒng)，電纜鋪設(shè)距離很長(zhǎng)（有時(shí)超過(guò)4000米），因此總線和所連接的各系統(tǒng)之間的隔離非常關(guān)鍵。今年越來(lái)越普及的數(shù)字隔離技術(shù)在RS-485電纜網(wǎng)絡(luò)和與之連接的系統(tǒng)之間提供了重要的隔離，并防止過(guò)壓瞬變，同時(shí)避免在RS-485網(wǎng)絡(luò)中形成接地環(huán)路。

在工業(yè)應(yīng)用中，如今對(duì)隔離和數(shù)據(jù)收發(fā)存在兩大需求：更高的數(shù)據(jù)速率和更低功耗的工作模式。ADI公司的iCoupler數(shù)字隔離器和RS-485收發(fā)器產(chǎn)品系列可以很好地滿足這兩大需求。

對(duì)于高性能電機(jī)控制編碼器應(yīng)用而言，通常需要更高的數(shù)據(jù)速率、更小的 RS-485 收發(fā)器封裝和 IEC 61000-4-2 ESD 保護(hù)。ADM3065E/ADM3066E 50 Mbps 收發(fā)器采用節(jié)省空間的 10 引腳 LFCSP 封裝，可提供±12 kV（接觸）和±12 kV（空氣）的 IEC 61000-4-2 ESD 保護(hù)功能，為 EnDat 編碼器提供了一套可靠的解決方案（請(qǐng)參考 AN-1397 應(yīng)用筆記了解更多 信息）。

此外，在 ADM3065E/ADM3066E 中添加高速穩(wěn)定的信號(hào)和功率隔離可以通過(guò) isoPower ADuM6401 或 isoPower ADuM6000 及 iCoupler ADuM241D 來(lái)實(shí)現(xiàn)，如本應(yīng)用筆記中所述。

在電池供電系統(tǒng)、井下應(yīng)用（例如，采礦）以及在 4 mA 至 20 mA 環(huán)路中工作的過(guò)程控制系統(tǒng)中，往往對(duì)低功耗工作模式具有較高需求。ADI 公司生產(chǎn)的微功耗數(shù)字隔離器 ADuM1441 在關(guān)斷模式下的靜態(tài)功耗低于 23 μA。ADM3483 3.3 V、250 kbps RS-485 收發(fā)器的靜態(tài)功耗極低，關(guān)斷模式下通常僅 2 nA。

圖 1 所示為適合井下應(yīng)用穩(wěn)定可靠的低功耗隔離式 RS-485 解決方案。ADM3483 和 ADuM1441 共用可提供一條通往遠(yuǎn)程地下測(cè)量節(jié)點(diǎn)的可靠低功耗鏈路。系統(tǒng)接口卡包括 ARM Cortex 微控制器單元(MCU)、ADuCM3027 和集成模擬前端(AFE)AD7124-4，用于遠(yuǎn)程溫度和壓力測(cè)量。系統(tǒng)接口卡的固件更新通過(guò)遠(yuǎn)距離 RS-485 電纜提供，更新后能夠在最長(zhǎng) 1 km 的遠(yuǎn)距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)低數(shù)據(jù)速率傳輸（例如，9.6 kbps）。

圖 1. 適合井下應(yīng)用穩(wěn)定可靠的低功耗隔離式 RS-485 解決方案

隔離式高速 RS-485

利用 iCoupler 和 isoPower 技術(shù)，可以向 ADM3065E 中增添兼具加強(qiáng)絕緣和 5 kV rms 瞬態(tài)耐受電壓的電流隔離。ADuM6401 提供了所需的四通道 5 kV rms 信號(hào)隔離、最高 25 Mbps 的工作速率以及集成式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。ADuM6401 配合 ADM3065E（如圖 2 所示）需將 VISO 引腳配置為 3.3 V，具體方法是將 VSEL 引腳連接到 GNDISO 引腳，并將 5V 電源連接到 VDD1 引腳。在 3.3V 電壓下工作，即使數(shù)據(jù)速率達(dá) 25 Mbps，也可以確保 ADM3065E 仍保持在 ADuM6401 的負(fù)載能力范圍內(nèi)。

利用 ADuM241D 四通道數(shù)字隔離器和 ADuM6000 隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn) 50 Mbps 數(shù)據(jù)速率以及 ADM3065E 隔離，如圖 3 所示。ADuM241D 的數(shù)據(jù)速率最高可達(dá) 150 Mbps，能夠提供完全支持 ADM3065E 以 50 Mbps 數(shù)據(jù)速率工作所需的精確時(shí)序。

不過(guò)，以 50 Mbps 數(shù)據(jù)速率工作的前提是使 ADM3065E 工作在 3.3 V 電壓下。

如果需要在 5V 電壓下工作，可以將 ADuM6000 上的 VSEL 引腳連接到 VISO，但支持的最大數(shù)據(jù)速率會(huì)降低（例如，<10 Mbps）。更多信息，請(qǐng)參考 ADuM241D 和 ADuM6000 數(shù)據(jù)手冊(cè)。

ADuM6401 和 ADuM6000 isoPower 器件中的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可為 ADM3065E（和 ADuM241D）提供穩(wěn)壓隔離電源。這兩款 isoPower 器件利用高頻開關(guān)元件，通過(guò)變壓器傳輸功率。用戶必須遵循輻射標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行印刷電路板(PCB)布局。如需 PCB 布局建議，請(qǐng)參考 AN-0971 應(yīng)用筆記。

圖 2. 信號(hào)和電源隔離的 25 Mbps RS-485 解決方案（簡(jiǎn)化圖，未顯示全部連接）

圖 3. 信號(hào)和電源隔離的 50 Mbps RS-485 解決方案（簡(jiǎn)化圖，未顯示全部連接）

隔離式低功耗 RS-485

圖 4 顯示了 ADuM1441 微功耗、四通道、數(shù)字隔離器和 ADM3483 低功耗、半雙工 RS-485 收發(fā)器的組合。

當(dāng) ADM3483 處于關(guān)斷模式（驅(qū)動(dòng)器使能 DE 引腳為低電平且接收器使能引腳為高電平）時(shí)，靜態(tài)電源電流通常僅為 2 nA（最大規(guī)范值為 1 μA）。如圖 4 所示，ADuM1441 的引腳 7 和引腳 10 分別連接至 GND1 和 GND2。這意味著當(dāng) ADuM1441 隔離器處于無(wú)總線通信活動(dòng)的關(guān)斷模式時(shí)，其靜態(tài)電流低于 23 μA?？傮w來(lái)說(shuō)，該解決方案的靜態(tài)功耗低至 24 μA 以下。

如果 ADuM1441 的引腳 7 和引腳 10 分別直接連接到 VDD1 和 VDD2，則 ADuM1441 的靜態(tài)功耗僅 1.2 μA。這可以通過(guò) PCB 上的跳線連接來(lái)實(shí)現(xiàn)，用戶可以選擇將引腳 7 連接到 VDD1 或 GND1，還可以選擇將引腳 10 連接到 VDD2 或 GND2。將 ADuM1441 中的 1.2 μA 靜態(tài)功耗特性添加到 ADM3483 靜態(tài)電源中，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)在關(guān)斷或待機(jī)模式下僅消耗 2 μA 電流的完全隔離式 RS-485 節(jié)點(diǎn)。為了確保隔離器正常工作，ADuM1441 的引腳 7 和引腳 10 必須分別連接到 GND1 和 GND2。

圖 4. 低功耗、隔離式 RS-485 節(jié)點(diǎn)

本文小結(jié)

RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)是使用最廣泛的物理層總線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之一。以數(shù)字方式（ADI公司的iCoupler和isoPower）將RS-485與連接至總線的各系統(tǒng)隔離開來(lái)，可減少信號(hào)失真和誤差，并防止系統(tǒng)和組件發(fā)生系統(tǒng)和總線電壓和接地適配。并且通過(guò)不同隔離器和RS-485收發(fā)器型號(hào)的搭配，可輕松滿足工業(yè)應(yīng)用中高速率和低功耗的不同應(yīng)用場(chǎng)景需求。

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