总线接口中隔离的应用

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总线接口中隔离的应用 [复制链接]

电子电路中隔离的全面介绍之
                    ——总线接口中隔离的应用（连载4）　

作者：晶圆
jerrymiao

隔离技术在RS485/422中的应用

RS485/RS422作为强健的接口标准，采用双绞线电缆连接并具有宽共模电压范围内差分信号传输的低噪声耦合特性，允许高达10Mbps信号传输速率下进行数据交换。尽管该标准已被广泛接受，但是他在实际应用中的一些具体问题并没有得到深入的认识，甚至存在着种种误区（比如接地、隔离及瞬态保护并没有在实际使用中得到正确的应用），以至影响到整个系统的性能。

对于RS485的隔离我们可以分四种方法：

第一种是比较传统的光电隔离，一般会在CPU与RS485收发器之间用三个光耦（如：6N137）来分别隔离RX、TX、RE/DE，外用DC-DC隔离电源分别给一次端、二次端供电。这种隔离方法的优点是：电路比较成熟，成本较低。缺点是：整个电路体积大，集成度不高，存在LED老化，影响速度等问题。

第二种是采用数字隔离器件，如可以选用ADI的ADuM141x, 也可选用TI的ISO72XX数字隔离器，来替代CPU与RS485收发器之间的三个光耦。其它电路部分不变。这样做的优点是：在一定程度上提高了电路的集成度,并且隔离性能也较光耦隔离有很大的增强。但还是需要双电源供电。

第三种是采用ADI独有的集成DC-DC隔离电源的数字隔离器ADuM5401, 以用来替代DC-DC隔离电源和三个光耦，优点是更加增强了电路的集成度，使隔离更为彻底。但仍然需要RS485收发器来与之共同完成RS485通讯。

第四种就是采用各大厂商的隔离型RS485的芯片，比如ADI的ADM2483、TI的ISO3082或NVE的IL3585，但是这些虽然集成了隔离与RS485收发器，却仍然需要双电源供电。而ADI的新品ADM2587E/2582E，则完全集成了DC-DC隔离电源、数字隔离器、RS485收发器。真正的实现了RS485的完全隔离。

以上各种电路的优势各有不同，我们在实际的研发工作中，可以根据不同的情况而作出不同的选择。

隔离技术在RS232接口中的应用

由于 RS232 标准主要应用于多个系统间的通信，因此总线和每个连接系统之间的隔离就十分关键。 数字隔离器可以为 RS232 和连接的系统之间提供过电压保护， 同时可以消除接地环路减小信号畸变和错误。 最简单的情况下RS232 只要用三条线路就可实现：TX（传送数据）、RX（接收数据）、GND（接地）。但大部分的数字隔离器并不支持RS-232标准。

所以数字隔离器对RS-232的隔离应在CPU与RS232收发器之间，一般只需隔离RX（收）、TX（发）两根线就可以了。在以往的设计中，一般可以采用2个高速光耦（6N137）实现电气上的隔离，1个DC-DC电源隔离模块（+5V转+5V）实现电源上的隔离，还需计算电阻值的大小以搭建出合理的收发器隔离电路。需要注意的是，RS232的隔离除了用高速光耦来实现数据隔离之外，还需电源隔离。否则，隔离将失去意义。但这种隔离方式同样存在体积大、集成度不高、LED老化等问题。

所以建议使用数字隔离器来隔离，可以选用ADI的ADuM1201或TI的ISO721, 以及其它各大厂商的数字隔离器，只要注意一下通道方向的分布，各大厂商的数字隔离器是兼容的。

同样，以上各种型号都需要DC-DC隔离电源来实现电源信号的隔离。

ADI的ADuM5241是一款集成了DC-DC隔离电源的双通道数字隔离器，则使得电路更加简化，可直接省去一个DC-DC隔离电源和2个6N137，只是注意一下ADuM5241的驱动能力。

现在ADI又推出了新品：ADM3251E.这款芯片与我们前面介绍的ADM2582E/ADM2587E差不多，只不过是这个是用在RS232隔离方案中，而且只提供一路收发。具有很强的保护能力，可适用于各种恶劣环境的RS232通信中。

隔离技术在CAN总线中的应用

CAN（控制区域网）属于串行通信总线，适用于强健的实时控制应用，因此在工业、交通、控制、测量领域有极广泛的应用。如果单个CAN--bus节点设计不当，就会导致总线通信不良，甚至因为收发器电路而破坏整个CAN网络的稳定性。尤其CAN总线的工作场合经常十分恶劣，任何一点不利的因素均有可能使CAN网络崩溃，所以CAN--bus接地、隔离及瞬态保护是十分必要的。

CAN--bus的隔离与RS232的隔离方案基本相同，数字隔离器的应用是在CAN控制器与CAN收发器之间，而且大部分也是隔离RX （收）、TX（发）。所以应用于RS232隔离的型号都可用于CAN--bus的隔离。

但是ADI目前还没有集成CAN收发器的数字隔离芯片，TI的ISO1050是一款集成了隔离的CAN收发器，在具体的应用中大家可以参考多种方案，以便选出最佳方案。

shehua2010

隔离技术在USB中的应用


USB是目前比较流行的一种总线通讯方式，在这里推荐ADI的ADUM4160，专业的USB接口隔离芯片。有兴趣的朋友可以参照下其介绍文章：

http://www.adum.com.cn/shownews.asp?id=65


瞬态保护


在实际工程使用中，使用了上述数字隔离方案的系统可靠性有了极大的提高，能消除噪声并且防止电流在两通信端之间流动，防止瞬态尖峰在系统内部的破坏性传播。但是尽管数字隔离器件以内的电路系统没有损坏，可是接口电路在有强烈的浪涌能量出现时，甚至可以看到收发器爆裂、线路板焦糊现象，虽然不至于影响整个系统的安全性，但也造成极大的不便。


出现该现象的原因：虽然隔离“切断”了由电路路径形成的环路，噪声电压只出现在隔离层上而非接收机或其他敏感组件上，但是接口电路必须要经过强烈能量的考验。在接口端的瞬态干扰可能会有成百上千伏的电压但持续时间很短，在切换大功率感性负载（电机、变压器、继电器），闪电等过程中都会产生幅度很高的瞬态干扰，如果不加以适当防护就会损坏接口。


对于总线上的这种瞬态干扰，可以采取瞬态仰制方法加以防护。实际应用中采用两级防护措施；使用3个90V的陶瓷放电管（3RM090L-8）（可承受10/700µS，10/700µS为通信线路中感应出雷击电压波形，表示从零值上升到峰值的时间为10ms,下降至峰值一半的时间为700µS，8000V雷击测试）进行共模防护、差模防护，此时过电压被大大削弱到500V左右；再经过PTC（可采用100-200mA、耐压250V以上的自恢复保险丝K250-120U）或20Ω左右的电阻限流。TVS瞬态抑制二极管的选择可以根据芯片的工作电压与耐压决定，一般略高于芯片最高工作电压，RS485芯片可以选择P6KE15CA，RS232芯片可以选择P6KE18CA。

RS485（RS232、RS422）数据总线雷击过压防护

1、RS485 总线的应用领域
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工业控制，DCS，数据采集系统
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高速公路收费系统
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过程控制及制造
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电力系统采集与控制系统
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远程终端互连

2、雷击过压防护的必要性
由于RS485总线实行长距离传输(1200米以上)，而且其传输线通常暴露于户外，因此极易因为雷击等原因引入过电压。而RS485收发器工作电压较低（5V左右），其本身耐压非常低（-7~+12V），一旦过压引入，就会击穿损坏芯片。还有强烈的浪涌能量出现时，甚至可以看到收发器爆裂，线路板焦糊的现象。

3、防护方法及原理图











以上为RS485总线的两级防护电路图。当雷击发生时，感应过电压由两端引入，G2与G3进行共模防护，G1进行差模防护，此时过电压被大大削弱到约500V左右，在经过电阻R1、R2限浪，TVS1/2二次限压后，到收发器的电压被箝制在6.8V左右，从而实现对收器的保护。

4、方案选择与对比

	G1/G2/G3	R1/R2	TVS1/TVS2	比较
方案一(插件)	YS-301	K250-120U	P6KE6.8CA	体积小/防护中/成本低
方案二(贴片)	SPMB301	10Ω/1W(SMD)	SMBJ6.0CA	体积小/防护中/成本低
方案三(插件)	3RM090/2RM090	K250-120U	P6KE6.8CA	体积大/防护高/成本高
方案四(贴片)	SPC301	10Ω/1W(SMD)	SMBJ6.0CA	体积小/防护中/成本低

5、知识问答
问：各种器件的选择依据是什么？
G1G2G3的选择首先考虑其耐压耐流的能力。如YS-301能承受10/700μS， 4KV雷击测试；90V陶瓷放电管（3RM090L-8）可承受10/700μS, 8KV雷击测试；R1R2可选择限流效果最好的高成PPTC，他既可以是一个限流电阻，也可以当一个保险丝使用。当然这里也可以选择线绕电阻，经过实际测试，该方案中的线绕电阻选择为10Ω/1W,价格低廉，效果不错；PTC则可以采用10Ω左右，100~200MA，耐压250V以上的自恢复保险丝。TVS1/2选择根据芯片的工作电压与耐压决定，一般略高于芯片最高工作电压，可以6.8V-10V之间选择。

问：过压防护标准的依据是什么？
IEC6100-4-5，ITU-T K20/K21及国标GB9043均有关于雷击浪涌抗扰度测试标准。其通信线路的最高测试标准为10/700μS,4KV。10/700μS为通信线路中感应出的雷电压波形，表示从零值上升至峰为时间为10ms , 下降至峰值的一半为700μS。

问：雷击过压防护的接地要求？
雷击浪涌防护除了需要选择优质的防护器件，进行良好的电路板设计，接地也是其最重要的要求。一般防雷地都必要可靠的连接至大地，且接地电阻不能超过10欧，可靠的接地可以大大提高防护效果，而不良的接地也会大大削弱防护效果。

问：为了降低成本及体积，可不可以只采用一级防护？
不好，能承受大能量雷击的器件不可能一次将雷击电压钳制到芯片可以承受的水平，TVS虽然可以将雷击电压一次钳制到芯片可在承受的水平，但是不能承受大的雷击能量，因此必须两级防护。

问：RS232，RS422的防护与RS485有何区别？
防护方法完全相同。只是根据其工作电压的不同，精细保护器件TVS的电压参数应选择不同。如RS232最大工作电压为15V，则TVS选择为P6KE18CA或贴片SMBJ15CA，RS422最大工作电压为12V，则TVS选择为P6KE15CA或贴片SMBJ12CA。





下一章我们介绍一下模/数转换之间的隔离。

lixiaohai8211

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