RS485的接地共模电压问题

elec32156

RS485的接地共模电压问题 [复制链接]

 

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        看到相关资料有讲到，RS485在远距离通信时，设备两端的大地可能存在较大的电位差，这个电位差会叠加到接收端的共模电压上，可能会使接收端的共模电压Vcm过高，使得通信不稳定或烧毁芯片。没有太理解这个共模电压是如何造成接收端芯片存在过压风险的？

       下面画了一个图来表示整个链路，其中驱动端和接收端的工作地都接到大地PE（通过EF两点），假设两点之间的大地电阻为Zg，在上面产生的电位差为50V，那么接收端PE2相对于驱动端PE1的电压就是50V，但这仅仅是相对PE1而言，接收端设备的所有信号参考的都是GND2，而非PE1。即便大地压降1000V，也仅仅是将接收端的参考点抬高了1000V而已啊，内部电路与GND2之间的电压并不会因此而改变。这不就像人坐在飞机上一样是一个道理吗？怎么会造成接收端面临过压风险呢？

        另外还有一个问题，看到有些资料说两个设备之间不共地也可以工作，取决于共模电压，我想问的是，如果不共地（即将EF两点断开），那么A线或B线上面的电流从哪里流回去呢？

       万分感谢！

 

 

maychang

【如果不共地（即将EF两点断开），那么A线或B线上面的电流从哪里流回去呢？】

假定A线某一瞬间电流方向自左至右，那么同一瞬间B线上电流方向自右向左。

maychang

【假设两点之间的大地电阻为Zg，在上面产生的电位差为50V，那么接收端PE2相对于驱动端PE1的电压就是50V，但这仅仅是相对PE1而言，接收端设备的所有信号参考的都是GND2，而非PE1。】

此时Driver的两个输出端相对于GND2可是有50V电压，远超过Receiver芯片能够承受的范围。

elec32156

maychang 发表于 2024-9-15 18:05 【如果不共地（即将EF两点断开），那么A线或B线上面的电流从哪里流回去呢？】 假定A线某一瞬间电流方向 ...

非常感谢您的回复！

一开始我也是这么想的，差分信号互为参考，电流方向相反，一条流入一条流出。但是看了差分放大器的电路（如下图所示）很是疑惑（学艺不精）。左右两边差分输入，相当于AB两线分别驱动T1和T2，这意味着A线或B线必须相对于两个管子的发射极公共点要有足够的电位差，假设某一瞬间A线电压5V，B线电压0V，这个所谓的“5V或0V”是从驱动端发出，它是参考的驱动端的工作地，并不是接收端的工作地。如果把地给断开了，T1和T2相对于发射极就不存在这个电位差，如何让它导通而产生电流呢？另外，即便它能够导通，电流怎么会从从T1发射极流出，再从T2的发射极流入到基极再通过B线回去呢？

 

maychang

elec32156 发表于 2024-9-15 18:32 非常感谢您的回复！ 一开始我也是这么想的，差分信号互为参考，电流方向相反，一条流入一条流出。但 ...

看来你是没有区分”某个量“和”某个量的变化“。这绝对是两回事。

图中的iB，是基极电流（通常称为偏置电流），但对放大器来说，更重要的是基极电流的变化。实际上，三极管的电流放大倍数并不是集电极电流除以基极电流，而是集电极电流的变化除以基极电流的变化（这个变化应该尽量小）。

你说【电流怎么会从从T1发射极流出，再从T2的发射极流入到基极再通过B线回去呢？】说A线上电流方向与B线上电流方向相反，实际上就是一个基极电流增加而另一个基极电流减小。

elec32156

maychang 发表于 2024-9-15 18:20 【假设两点之间的大地电阻为Zg，在上面产生的电位差为50V，那么接收端PE2相对于驱动端PE1的电压就是50V，但 ...

原来如此，想明白了，掉坑里去了，感谢！

led2015

A线和B线上的电流可能会通过各自设备的内部地回流到电源或地平面

elec32156

maychang 发表于 2024-9-15 19:08 看来你是没有区分”某个量“和”某个量的变化“。这绝对是两回事。 图中的iB，是 ...

确实一开始没有意识到这个问题，认为两个三极管发射结电流不可能反向流动，所以AB两线不可能形成回路。实际上是T1和T2在外部偏置的情况下，发射结这个“开关”已经被打通了，所以AB两线是可以形成电流回路的，还是基础不牢。多谢老师指点！

elec32156

maychang 发表于 2024-9-15 18:20 【假设两点之间的大地电阻为Zg，在上面产生的电位差为50V，那么接收端PE2相对于驱动端PE1的电压就是50V，但 ...

还有一个问题想请教下您，就是在将两端的地完全断开（即将首贴图中的EF两点断开，相当于两端都是浮地设备，包括外部电源也是隔离的）的情况下，按照前面的分析，差分信号自成回路，设备可以正常通信。那么这种情况下会不会有什么其它问题呢？我看芯片厂商的隔离型485收发器，都是将两端的地给它连起来了（就是将图中的GND1和GND2连通，组成三线传输），这是出于什么考虑？

例如，下图是TI提供的一个参考链路图，接收器都是隔离型，但是它将工作地全部连通了。既然地不是功能所需，这是否多此一举？

 

maychang

elec32156 发表于 2024-9-16 08:50 还有一个问题想请教下您，就是在将两端的地完全断开（即将首贴图中的EF两点断开，相当于两端都是浮地设备 ...

【将两端的地完全断开（即将首贴图中的EF两点断开，相当于两端都是浮地设备，包括外部电源也是隔离的）的情况下，按照前面的分析，差分信号自成回路，设备可以正常通信】

这种情况有时能够正常通信，但并不总是能够正常工作。原因就在于这种情况下芯片可能遭遇过大的共模电压，甚至可能损坏芯片。联接上地线后，就没有这个危险。

 

elec32156

maychang 发表于 2024-9-16 09:23 【将两端的地完全断开（即将首贴图中的EF两点断开，相当于两端都是浮地设备，包括外部电源也是隔离的）的 ...

在地完全隔离的情况下，大地已经断开了，大地电位差不会再叠加到接收端，为什么接收端还会遭遇过大的共模电压风险呢？而且在地完全断开的情况下，也不存在地环路，没有大的环路也不容易耦合各种强电磁干扰（如雷电等），是什么原因会导致Vcm被抬高呢？

maychang

elec32156 发表于 2024-9-16 09:52 在地完全隔离的情况下，大地已经断开了，大地电位差不会再叠加到接收端，为什么接收端还会遭遇过大的共模 ...

现场情况是非常复杂的。地线断开，未必是完全的绝缘。就算是设备外壳与大地绝缘良好，设备外壳与大地之间也必定存在分布电容。设备与大地之间的分布电容有可能因为各种各样的原因被充电，例如静电。你看运油的油罐车总要拖一根铁链到路面就知道静电有多厉害了。冬天室内若铺地毯，人在地毯上走两步，手指对着自来水管可以产生火花。人眼可见的火花，足够烧毁一堆芯片而有余。

elec32156

maychang 发表于 2024-9-16 10:15 现场情况是非常复杂的。地线断开，未必是完全的绝缘。就算是设备外壳与大地绝缘良好，设备外壳与大地之间 ...

考虑到实际环境的浪涌和ESD问题，应该是机壳要与大地低阻抗连接的，并且在接口处增加保护电路，用于接口处的雷击浪涌防护，如下图所示。如此一来，便解决了您说的实际恶劣环境的影响。

假设都使用隔离型收发器，那么图中“接口侧”的GND1和GND2，与大地均处于隔离状态。连接GND1和GND2的唯一作用应该是消除两地的电位差吧？如此隔离状态下，是不是就没有连接的必要了呢。假设将其连接，就需要同时考虑三根线的浪涌防护，岂不是变得更麻烦了吗？

  

maychang

elec32156 发表于 2024-9-16 12:03 考虑到实际环境的浪涌和ESD问题，应该是机壳要与大地低阻抗连接的，并且在接口处增加保护电路，用于接口 ...

【如此隔离状态下，是不是就没有连接的必要了呢。假设将其连接，就需要同时考虑三根线的浪涌防护，岂不是变得更麻烦了吗？】

9楼据说TI提供的参考图，联接各个GND的那根线即使某处断开，有可能RS485仍然能够工作。但此时也有可能出现10楼所说的危险。为安全起见，以联接各个GND为是。

好好xuexi

A线和B线上的电流可能会通过各自设备的内部地回流到电源或地平面

dukedz

参考TI这个文档，说得很详细了：https://www.ti.com/lit/an/slla272d/slla272d.pdf

dukedz

elec32156 发表于 2024-9-16 12:03 考虑到实际环境的浪涌和ESD问题，应该是机壳要与大地低阻抗连接的，并且在接口处增加保护电路，用于接口 ...

> 如此隔离状态下，是不是就没有连接的必要了呢

 

这种情况下，受到共模干扰导致通信两端信号的共模电位差超过 485 允许范围，怎么办？