如何為MAXM22511隔離式RS-485收發(fā)器模塊設(shè)計(jì)和布局EMI優(yōu)化的PCB

簡介

本文介紹了MAXM22511隔離式RS-485/RS-422，全雙工收發(fā)器模塊，為數(shù)據(jù)和電源通道提供完整的隔離解決方案，提供2500V有效值(60s)電纜側(cè)(RS-485/RS-422驅(qū)動(dòng)器/接收器側(cè))和設(shè)備的UART側(cè)之間的電氣隔離。

集成的DC-DC 轉(zhuǎn)換器無需外部變壓器即可為模塊的電纜側(cè)供電，從而節(jié)省電路板空間并提高系統(tǒng)性能。無需外部組件，這些模塊可在非常小的占用空間內(nèi)提供大量功能。對于需要滿足嚴(yán)格的電磁兼容性 (EMC) 準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)人員來說，集成高頻開關(guān) DC-DC 可能是一個(gè)問題。Maxim設(shè)計(jì)了EMI優(yōu)化板，并對MAXM22511的輻射噪聲進(jìn)行了內(nèi)部測量。本應(yīng)用筆記討論了設(shè)計(jì)技術(shù)，并將結(jié)果與兩款競爭IC進(jìn)行了比較(在競爭對手EMI優(yōu)化的評估板上進(jìn)行了測試)。還包括MAXM22511 EMI優(yōu)化布局指南。

集成的演變

入門：分立解決方案最初的ANSI/EIA/TIA-485-A-1998(RS-485)標(biāo)準(zhǔn)是為了解決RS-232和RS-422的缺點(diǎn)而創(chuàng)建的。RS-485是一種雙向標(biāo)準(zhǔn)，在一條總線上具有多個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器，其中每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都可以放棄或驅(qū)動(dòng)總線。 RS-485結(jié)合了點(diǎn)對點(diǎn)RS-422標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格，但更堅(jiān)固，這使得RS-485成為工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。

為了在惡劣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可靠通信，典型的RS-485通信模塊需要微控制器、隔離柵(即圖1中的光耦合器)、收發(fā)器(半雙工或全雙工)和電纜。電路的邏輯側(cè)和隔離側(cè)都需要電源。從歷史上看，這些組件中的每一個(gè)都是離散完成的(圖1)。分立電路雖然在某些特殊情況下是最佳的，但往往又大又昂貴。使用許多元件需要大量的電路板空間以及額外的BOM和組裝成本。 雖然分立式構(gòu)建模塊電路仍在一些有限的應(yīng)用中使用，但多年來越來越多地被高級集成解決方案所取代。例如，光耦合器可以用Maxim的數(shù)字隔離器代替，后者具有更高的數(shù)據(jù)速率、更低的功耗和更小的尺寸。集成解決方案(IC或模塊)具有多種優(yōu)勢，包括更小的尺寸/尺寸、更低的成本、高可靠性和低功耗。

圖1.離散 RS-485/RS-422 通信模塊。

第一級集成：集成收發(fā)器和變壓器驅(qū)動(dòng)器Maxim推出了一系列用于可靠通信的隔離式RS-485/RS-422收發(fā)器，其中包括業(yè)界通用的標(biāo)準(zhǔn)RS-485功能(例如，數(shù)據(jù)速率高達(dá)25Mbps，壓擺率受限收發(fā)器可實(shí)現(xiàn)更好的EMI性能)。這些收發(fā)器集成了一個(gè) 2.5kV 或 5kV 隔離邊界、一個(gè)半雙工或全雙工 RS-485 收發(fā)器以及一個(gè)變壓器驅(qū)動(dòng)器，為器件的隔離(或 RS-485 通信)側(cè)供電(圖2)。

通過集成數(shù)據(jù)和電源控制器模塊，這些收發(fā)器減少了可靠通信應(yīng)用的總體占用空間。

圖2.集成 RS-485/RS-422、隔離和變壓器驅(qū)動(dòng)器通信模塊。

最后的前沿：全集成模塊Maxim最新的可靠通信器件MAXM22511是一款完全集成的隔離式RS-485/RS-422全雙工收發(fā)器模塊。該收發(fā)器無需外部元件，以Maxim在RS-485領(lǐng)域久經(jīng)考驗(yàn)的領(lǐng)先地位為基礎(chǔ)，將通信和電源配對，成為市面上最小的魯棒高性能通信解決方案(圖3)。

圖3.RS-485/RS-422與MAXM22511完全集成。

MAXM22511集成了工業(yè)RS-485系統(tǒng)所需的所有模塊(例如，隔離柵、收發(fā)器和隔離電源)。數(shù)據(jù)隔離采用Maxim專有的電容隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)。集成的 DC-DC 和 LDO 為電路的隔離側(cè)提供穩(wěn)壓電源(圖4)。內(nèi)部變壓器基于鐵氧體磁芯，有助于減少不必要的EMI輻射。該模塊的主要特性包括集成變壓器(完成隔離電源)、60% DC-DC 效率、2.5kV有效值RS-485 I/O上的隔離和±35kV ESD保護(hù)。

MAX22511方案具有9.35mm x 11.5mm的占位面積(無需外部元件)，功耗更低，具有高水平的ESD保護(hù)。該收發(fā)器是一款強(qiáng)大的單組件解決方案，可滿足隔離式工業(yè)接口的數(shù)據(jù)和電源需求。

圖4.MAXM22511功能圖.

表1.Maxim隔離式RS-485解決方案的演變

表 1.Maxim隔離式RS-485解決方案的演變

MAXM22511優(yōu)化設(shè)計(jì)和布局

MAXM22511評估板設(shè)計(jì)靈活，支持測試和原型設(shè)計(jì)電路，以驗(yàn)證MAXM22511的功能，并且未針對最低EMI性能進(jìn)行優(yōu)化。由于PCB布局和元件選擇在設(shè)計(jì)電路或產(chǎn)品以實(shí)現(xiàn)最佳EMC/EMI性能時(shí)至關(guān)重要，Maxim還設(shè)計(jì)了兩款EMC/EMI優(yōu)化板(MAXM22511引腳和MAXM22511 NO_STITCH EVAL板)，用于內(nèi)部評估輻射噪聲(圖5)。請聯(lián)系Maxim，索取這些電路板的可用性。

圖5.MAXM22511 EMI測試板原理圖

Maxim的EMC/EMI優(yōu)化板采用三種設(shè)計(jì)技術(shù)來提高EMC/EMI性能：

集成浮動(dòng)拼接電容(僅限拼接板)

邊緣防護(hù)/通孔保護(hù)環(huán)

EMI 優(yōu)化組件選擇

在這兩塊板中，只有STITCH板在內(nèi)層設(shè)計(jì)了一個(gè)集成的浮動(dòng)焊接電容器。兩塊板均包括跨越隔離柵的安全Y電容。

浮動(dòng)焊盤電容EMI性能差通常見于具有隔離柵的電路板。當(dāng)信號穿過PCB上的走線時(shí)，在信號層下方的接地層上形成鏡像電荷。當(dāng)電荷鏡像被迫停止時(shí)，例如在隔離柵處，在PCB中產(chǎn)生差分電流和電壓并產(chǎn)生EMI。

當(dāng)PCB中的兩層重疊時(shí)，形成電容器。PCB層可以專門放置和調(diào)整尺寸，以產(chǎn)生稱為旁路電容的東西(圖6)。PCB中的旁路電容允許沿信號電流路徑的鏡像電荷保持穩(wěn)定，從而減少高開關(guān)信號，而不會增加PCB的額外成本。這種類型的電容器的兩個(gè)平行板之間的電感非常低，并且電容分布在大面積上。

圖6.樣本旁路電容布局

電路板的針跡電容計(jì)算公式為C針 = C1||C2 + C3||C4.各層之間的每個(gè)電容計(jì)算為C = (l × w × ε0 × εr)/d其中ε0是一個(gè)常數(shù)(8.854 × 10-12F/m) 和εr由PCB材料決定。對于 FR4，εr= 4.5(典型值)。

MAXM225511 STITCH評估板上的浮動(dòng)旁路電容由內(nèi)層上的隔離銅島組成，該銅島與收發(fā)器模塊電纜側(cè)和UART側(cè)的接地層重疊。使用上述公式，MAXM22511信號溝道評估板的旁路電容約為49pF。

圖7.MAXM22511 EMC/EMI優(yōu)化的電路板布局。頂部(左上)、第 1 層(右上)、拼接電容器的第 2 層(左下)和底部(右下)。

邊緣保護(hù)/過孔保護(hù)環(huán)PCB中接地層和電源層上的噪聲在到達(dá)電路板邊緣時(shí)會輻射。雖然有幫助，但使用邊緣保護(hù)或圍繞接地層的通孔保護(hù)環(huán)具有顯著的權(quán)衡，因?yàn)檫吘壉Ｗo(hù)減少了旁路電容層上的面積。在某些情況下，可能需要稍微增加電路板尺寸才能獲得最佳的旁路電容。Maxim在EMC/EMI優(yōu)化板的GNDA和GNDB層邊緣使用通孔保護(hù)環(huán)。

EMI 優(yōu)化的元件選擇

要優(yōu)化PCB 板以進(jìn)行 EMC/EMI 測試， 請?zhí)貏e注意電路的元件選擇.MAXM22511不需要任何額外的外部元件即可工作，但EMC/EMI優(yōu)化板包括一些用于訪問數(shù)字信號的跳線和接頭，以及用于RS-485/RS-422總線連接的DB9連接器。使用的針座結(jié)構(gòu)緊湊，布局和布局受到嚴(yán)格控制，以避免損害PCB的EMC/EMI功能。DB9 連接器包括一個(gè)內(nèi)部鐵氧體濾波器，有助于抑制電路板開關(guān)噪聲。

隔離柵之間的高dv/dt切換會導(dǎo)致電流在寄生電容中流動(dòng)。如果這些意外路徑具有較大的環(huán)路面積，則流過環(huán)路的電流會輻射，從而導(dǎo)致電磁干擾(EMI)。安全等級(5kV峰Y2電容器放置在GNDA和GNDB之間，以幫助降低這種噪聲。這些電容器為寄生電流流過創(chuàng)造了一條具有小環(huán)路面積的短路徑，從而降低了電路板上產(chǎn)生的EMI。

MAXM22511 電磁兼容/電磁干擾性能

Maxim的STITCH與NO_STITCH Maxim對MAXM22511 STITCH評估板和MAXM22511 NO_STITCH評估板的內(nèi)部EMC/EMI評估如圖8a和圖8b所示。雖然所有測量都通過了CISPR 11要求，但使用旁路電容可以消除任何高頻噪聲。

請注意，測試是在施加到TXD 的 1MHz 開關(guān)信號下完成的(DE = VDDA，RE = GNDA，Y 和 Z 之間的 60Ω 負(fù)載，以及環(huán)回配置)。

圖8a. MAXM22511 EMI 優(yōu)化NO_STITCH評估板測量

圖8b. MAXM22511 EMI 優(yōu)化的引腳評估板測量值。

總結(jié)

MAXM22511模塊提供RS-485通信和集成DC/DC電源，可在惡劣的工業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可靠的通信。Maxim專有技術(shù)和EMI優(yōu)化PCB布局相結(jié)合，確保該收發(fā)器模塊即使在不使用路口電容PCB的情況下，也能為噪聲敏感型應(yīng)用提供最佳的EMI性能。

審核編輯：湯梓紅