隔離型RS-485收發(fā)器的七大設(shè)計(jì)問題匯總

1.何時(shí)必須隔離RS-485總線？

隔離可防止系統(tǒng)兩個(gè)部分之間的直流電(DC)和異常的交流電(AC)，但仍然支持兩個(gè)部分之間的信號(hào)和電能傳輸。隔離通常能夠阻止電氣組件或人員遭受危險(xiǎn)電壓和電流浪涌的傷害；用于保護(hù)人員的隔離稱為增強(qiáng)型隔離。隔離可防止節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行長途通信時(shí)形成接地回路。隔離還允許遠(yuǎn)高于RS-485標(biāo)準(zhǔn)所推薦的節(jié)點(diǎn)間通信接地電位差變化率。

2.可以把多少個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到一條RS-485總線上？

為預(yù)估可能的最大總線負(fù)載數(shù)量，RS-485定義了一個(gè)假設(shè)術(shù)語“單位負(fù)載(UL)”，它代表約為12kΩ的負(fù)載阻抗。美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)(TIA/EIA) RS-485標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制規(guī)定最多能夠?yàn)橐粭lRS-485總線添加32 UL負(fù)載。我們使用輸入電壓除以漏電流得到的最壞情況下的性能比來計(jì)算一個(gè)節(jié)點(diǎn)的UL，如等式1所示。

一旦算出了該節(jié)點(diǎn)的UL，就可以用等式2計(jì)算最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量：

大部分TI隔離型RS-485收發(fā)器的單一UL為1/8，因此換算的結(jié)果是一條RS-485總線上最多可以有256個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.隔離型RS-485的速度與長度相關(guān)性是什么？

在信號(hào)速率（速度）與電纜長度之間存在反向關(guān)系。它們之間的確切關(guān)系取決于電纜本身的電阻和電容。如果構(gòu)建RS-485網(wǎng)絡(luò)，選擇電纜與收發(fā)器同等重要，如此方能確保在所需距離上的可靠通信。圖1展示了信號(hào)速率與電纜長度的相關(guān)性。圖中的圈3顯示的是與信號(hào)速率無關(guān)的最大電纜長度；在曲線的這部分區(qū)域，電纜的直流電阻導(dǎo)致信號(hào)衰減，限制了最大通信距離。圈2展示了信號(hào)速率與電纜長度之間的反向關(guān)系，這是由傳輸線路損耗造成的，電纜越長損耗越大。圈1使您可以忽略傳輸線路損耗；驅(qū)動(dòng)器的上升和下降時(shí)間，決定了對最大數(shù)據(jù)傳輸率的主要限制因素。RS-485標(biāo)準(zhǔn)建議最大信號(hào)速率為10Mbps；但是，按照當(dāng)今的技術(shù)，信號(hào)速率已達(dá)50Mbps。

圖 1：信號(hào)速率與電纜長度的關(guān)系

4.什么是故障保護(hù)偏置，如何設(shè)計(jì)它？

為履行RS-485標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)差分輸入(VID)超過200mV時(shí)，接收器輸出必須生成邏輯高電平，而當(dāng)VID低于-200mV時(shí)，則必須輸出邏輯低電平。然而，在下列三種情況下會(huì)生成無效輸出：

在以上任何情況中，對于端接的傳輸線路，RS-485接收器VID為零，無故障保護(hù)接收器輸出則不確定。

故障保護(hù)偏置為閑置總線提供差分電壓，從而能夠維持接收器處于邏輯高電平態(tài)。如果您不考慮故障保護(hù)偏置，終端電阻可將總線電壓降至0V，導(dǎo)致錯(cuò)誤的輸出或信號(hào)振蕩。您可以通過結(jié)合運(yùn)用電阻網(wǎng)絡(luò)與RS-485接收器，設(shè)計(jì)故障保護(hù)偏置。TI隔離型RS-485收發(fā)器均已針對總線開路、短路或閑置的情況集成了故障保護(hù)偏置，故不再需要構(gòu)建外部電路來設(shè)計(jì)故障保護(hù)偏置。

5.何時(shí)需要端接RS-485總線，對系統(tǒng)而言有何優(yōu)缺點(diǎn)？

在大部分RS-485應(yīng)用中，為防止信號(hào)反射，終端電阻都與電纜的特性阻抗相匹配。終端電阻應(yīng)安裝在RS-485總線的兩端。有些短途通信在沒有終端電阻的情況下也能正常操作，但對于所有應(yīng)用而言端接線路都是最佳方法。終端電阻的缺點(diǎn)是由電阻產(chǎn)生直流損耗，這會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生更高的功耗。即便有此缺憾，終端電阻仍然是絕大多數(shù)應(yīng)用的好選擇。

6.隔離型RS-485設(shè)備需要哪種瞬態(tài)保護(hù)？

隔離型RS-485設(shè)備采用何種瞬態(tài)保護(hù)取決于最終系統(tǒng)中可能的干擾類型，例如靜電釋放(ESD)、電快速瞬變脈沖群(EFT)或浪涌，以及所需的保護(hù)水平。TI隔離型RS-485收發(fā)器產(chǎn)品系列如果具有浮動(dòng)絕緣接地導(dǎo)體，則集成收發(fā)器總線終端會(huì)具有某種程度的內(nèi)部瞬態(tài)保護(hù)。除此之外，正確設(shè)計(jì)系統(tǒng)后，您可以利用隔離勢壘形成針對這些瞬態(tài)變化的高阻抗。如果您不希望系統(tǒng)中出現(xiàn)差分瞬態(tài)現(xiàn)象，并測試了所有與最終設(shè)備接地相關(guān)的瞬態(tài)，然后將保護(hù)性接地裝置(PE)連接到隔離型收發(fā)器的邏輯側(cè)，將使所有高電壓瞬態(tài)發(fā)生在隔離勢壘處。把PE連接到邏輯側(cè)，可以免除外部組件，如瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管或防脈沖電阻等。

圖2展示了采用ISO1410的增強(qiáng)型瞬態(tài)保護(hù)技術(shù)。

圖 2：半雙工隔離型RS-485收發(fā)器，具有可選的總線保護(hù)組件

7.您如何為隔離型RS-485節(jié)點(diǎn)構(gòu)造隔離型電源？

為隔離型RS-485節(jié)點(diǎn)構(gòu)造隔離型電源有幾種可選的方法；最佳解決方案須視具體的應(yīng)用需要而定。

一個(gè)選擇是使用TI SN6501這樣的變壓器驅(qū)動(dòng)器，此種驅(qū)動(dòng)器可用于具有次級(jí)側(cè)變壓器和整流低壓差穩(wěn)壓器(LDO)的推挽式配置。SN6501的功率高達(dá)1.5W，可作為隔離型電源。此設(shè)備具有高度靈活性，幾乎可用在所有應(yīng)用中。這是因?yàn)樽儔浩髟褦?shù)比能使電源提供必要的隔離電壓和輸出電壓。如果您需要為其他設(shè)備提供隔離電源，則可使用SN6505而不是SN6501，獲得高達(dá)5W的輸出功率。SN6505具有額外的保護(hù)特性，例如過載和短路、熱關(guān)斷、軟啟動(dòng)和壓擺率控制等，方便設(shè)計(jì)人員構(gòu)筑健全的解決方案。

圖 3：運(yùn)用SN6501構(gòu)建ISO1410的隔離型電源

另一個(gè)針對空間受限應(yīng)用的可選方法是ISOW78xx系列設(shè)備，該系列可在小型塑封集成電路(SOIC)-16封裝中提供信號(hào)和電源隔離特性。ISOW7841可與非隔離型RS-485收發(fā)器結(jié)合運(yùn)用，如帶集成信號(hào)和電源參考設(shè)計(jì)的隔離型RS-485所示。這種結(jié)合運(yùn)用占空間??；不需要變壓器，也易于通過認(rèn)證。

圖 4：運(yùn)用ISOW7841打造集成信號(hào)和電源的隔離型RS-485

審核編輯：郭婷