幾種常用485電路隔離方案及應用對比分析

NSi83085和NIRS485為納芯微數(shù)字隔離技術的高可靠性半雙工隔離485轉(zhuǎn)換器，NSi83086為全雙工隔離485轉(zhuǎn)換器。隔離485具有失效安全防護功能，保證當接收器輸入開路或短路時輸出為高電平，接收器輸入阻抗為1/8單元負載，最多可連接多達256個負載至總線。

幾種實現(xiàn)485隔離的方案

RS485總線是一種使用平衡發(fā)送，差分接收實現(xiàn)通訊的通用串口通信總線，由于其具有抗共模干擾能力強、成本低、抗噪能力強、傳輸距離遠、傳輸速率高、可連接多達256個收發(fā)器等優(yōu)點，廣泛應用于工業(yè)智能儀表，通訊設備等各個領域。

RS485電路可以分為非隔離型和隔離型。隔離型電路是在非隔離型電路的基礎上增加隔離性能，使得電路具有更強的抗干擾性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。下面主要圍繞隔離型485電路進行簡單介紹。

一．什么情況需要485隔離

? 當485通信接口外部節(jié)點連接高壓時，極易損壞后端電路，甚至可能會在使用端產(chǎn)生觸電；

? 當485通信節(jié)點距離太遠時，每個節(jié)點的參考地都接于本地的大地，當兩端大地之間存在較大的壓差時，地電勢會以共模電壓的方式疊加在信號線上，從而有可能超出端口可承受的共模電壓范圍，影響正常通信，甚至會損壞后端電路

? 當距離較遠的485通信節(jié)點之間的地平面利用線纜進行連接時（如485屏蔽電纜），地線會和大地形成地環(huán)路，該環(huán)路會耦合外部共模噪聲，并產(chǎn)生地環(huán)路電流，可能會導致整個電路系統(tǒng)失效。

二．實現(xiàn)485隔離的具體方案

為了避免上述情況發(fā)生，我們可以使用485隔離電路以實現(xiàn)。下面介紹幾種常用485電路隔離方案。

? 利用光耦隔離實現(xiàn)485隔離

最早的隔離器件為光耦隔離器。在基于CMOS的數(shù)字隔離器開發(fā)成功以前，市面上所有的隔離器件均為光耦隔離器件。下圖為使用傳統(tǒng)三個光耦隔離器實現(xiàn)的485隔離電路。

圖1 基于光耦隔離的485隔離電路

? 利用光耦+數(shù)字隔離實現(xiàn)485電路隔離

由于普通的光耦隔離芯片只能適用于通訊速率較低的情況，那么在高速信號傳輸電路中，485使能信號可繼續(xù)使用光耦隔離器件對進行隔離，而數(shù)據(jù)信號通路則可使用高速數(shù)字隔離芯片NSi8121N1實現(xiàn)。相較于傳統(tǒng)光耦電路，系統(tǒng)傳輸速率提高，且降低了系統(tǒng)復雜度。下圖為利用光耦隔離和數(shù)字隔離共同實現(xiàn)的485隔離電路

圖2 基于光耦隔離和數(shù)字隔離的485隔離電路

? 利用數(shù)字隔離器實現(xiàn)485電路隔離

只要有光耦隔離存在，就會有使用壽命短、抗共模能力弱、功耗高等缺點，仍極大的限制電路使用場景，而隔離電路全部使用數(shù)字隔離器能很好的避免這些問題。下面是使用NSi8131N1芯片實現(xiàn)的485隔離電路。

圖3 基于數(shù)字隔離的485隔離電路

? 利用NOVOSENSE 集成隔離485芯片實現(xiàn)485電路隔離

相較于上述三種利用復雜外圍電路實現(xiàn)485電路隔離的方案，NSi8308x系列芯片僅需單顆芯片即可實現(xiàn)485隔離，并且提高了系統(tǒng)的可靠性，穩(wěn)定性。

隔離型485芯片，內(nèi)部集成了一個三通道電容隔離及一個485收發(fā)器，其中NSi83085用于半雙工485隔離，最高可達500kbps通信速率，同時具有低擺率的特點，能夠減少EMI輻射以及由于終端匹配不當引起的反射；NSi83086用于全雙工485隔離，最高可達16Mbps通信速率，可極大的減小系統(tǒng)PCB面積，簡化系統(tǒng)方案設計，提高系統(tǒng)的可靠性。NSi8308x的總線接口具有±16kV的系統(tǒng)級接觸放電ESD保護能力。具有失效保護電路，當接收器輸入開路、短路或者總線空閑時，接收器將輸出邏輯高電平。接收器的輸入阻抗為1/8單位負載，允許多達256個收發(fā)器掛在總線上。輸出驅(qū)動器提供了超大輸出電壓擺幅，從而保證了更高的噪聲容限。

圖4 集成式485隔離電路

三．幾種485隔離電路對比

下面是針對上述幾種485隔離方案的各項指標對比

圖5 幾種485隔離電路面積對比

表1 幾種485隔離電路性能對比

四．485 EMC保護電路

雖然隔離能有效抑制高共模電壓，但總線上還可能存在浪涌、雷擊及短路等問題存在，所以在EMC等級要求比較高的系統(tǒng)中，需要在總線上再采取一定的保護措施。NSi8308x的總線接口具有±16kV的系統(tǒng)級接觸放電ESD保護能力?？缭礁綦x帶的浪涌能力能夠達到+-8kV。具有失效保護電路，當接收器輸入開路、短路或者總線空閑時，接收器將輸出邏輯高電平。如果有更高的EMC保護需求，也可以通過增加外圍電路來提高。給你介紹一種以NSi83085為例實現(xiàn)更高的 485EMC保護電路的方法。下圖以NSi83085為例介紹一種實現(xiàn)485 EMC保護電路的方法。

圖6 485 EMC保護電路

NSi8308x具有內(nèi)部失效保護電路，當接收器輸入開路或短路、或者掛在終端匹配總線上的所有發(fā)送器都禁用時，接收器將輸出邏輯高電平；此外，/RE及DE引腳有內(nèi)置下拉電阻，D引腳有內(nèi)置上拉電阻。因此，在所有輸入引腳及總線上無需加任何上下拉電阻即可保證發(fā)送、接收狀態(tài)確定。在A、B總線之間加一個120Ω電阻用以終端阻抗匹配，只有通訊距離較長的系統(tǒng)中的第一個節(jié)點和最后一個節(jié)點才會加這個匹配電阻。

當外部瞬態(tài)大電壓/電流信號（如雷擊）感應到A、B線上時，先經(jīng)過保險絲，防止當RS-485總線與電源線搭短路時燒掉后續(xù)電路；然后用氣體放電管（GDT）進行初級防護，將高壓信號降低到1kV以下，通常GDT可以承受10kA（8x20us）浪涌沖擊；然后TVS作為二級保護，將總線電平鉗制到7.5V以下。由于GDT響應時間較長，在一級防護和二級防護之間需再加TBU器件，以限制GDT未響應時會有過流信號燒壞TVS管。通常，對于4kV以下過電壓，可以省去初級保護GDT，單用TVS就能實現(xiàn)浪涌保護的要求。

五．總結(jié)

隔離型485電路可有效將系統(tǒng)中高壓區(qū)域與安全區(qū)域隔離，以保證設備及人身安全；并斷開長距離傳輸信號的地回路，以避免地環(huán)路和共模信號的影響，因而越來越多的應用于485系統(tǒng)中。

審核編輯：郭婷