幾種常用485電路隔離方案及應(yīng)用對比分析

NSi83085和NIRS485為納芯微數(shù)字隔離技術(shù)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(hù)功能，保證當(dāng)接收器輸入開路或短路時(shí)輸出為高電平，接收器輸入阻抗為1/8單元負(fù)載，最多可連接多達(dá)256個(gè)負(fù)載至總線。

幾種實(shí)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(shí)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(qiáng)、成本低、抗噪能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率高、可連接多達(dá)256個(gè)收發(fā)器等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)智能儀表，通訊設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)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(chǔ)上增加隔離性能，使得電路具有更強(qiáng)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(jìn)行簡單介紹。

一．什么情況需要485隔離

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

? 當(dāng)485通信節(jié)點(diǎn)距離太遠(yuǎn)時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的參考地都接于本地的大地，當(dāng)兩端大地之間存在較大的壓差時(shí)，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?xí)p壞后端電路

? 當(dāng)距離較遠(yuǎn)的485通信節(jié)點(diǎn)之間的地平面利用線纜進(jìn)行連接時(shí)（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(dǎo)致整個(gè)電路系統(tǒng)失效。

二．實(shí)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(shí)現(xiàn)。下面介紹幾種常用485電路隔離方案。

? 利用光耦隔離實(shí)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(gè)光耦隔離器實(shí)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(shí)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(jìn)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(shí)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(fù)雜度。下圖為利用光耦隔離和數(shù)字隔離共同實(shí)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(shí)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(diǎn)，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(shí)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(shí)現(xiàn)485電路隔離

相較于上述三種利用復(fù)雜外圍電路實(shí)現(xiàn)485電路隔離的方案，NSi8308x系列芯片僅需單顆芯片即可實(shí)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(gè)三通道電容隔離及一個(gè)485收發(fā)器，其中NSi83085用于半雙工485隔離，最高可達(dá)500kbps通信速率，同時(shí)具有低擺率的特點(diǎn)，能夠減少EMI輻射以及由于終端匹配不當(dāng)引起的反射；NSi83086用于全雙工485隔離，最高可達(dá)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(shè)計(jì)，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(hù)能力。具有失效保護(hù)電路，當(dāng)接收器輸入開路、短路或者總線空閑時(shí)，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(fù)載，允許多達(dá)256個(gè)收發(fā)器掛在總線上。輸出驅(qū)動(dòng)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(xiàng)指標(biāo)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(hù)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(hù)措施。NSi8308x的總線接口具有±16kV的系統(tǒng)級接觸放電ESD保護(hù)能力?？缭礁綦x帶的浪涌能力能夠達(dá)到+-8kV。具有失效保護(hù)電路，當(dāng)接收器輸入開路、短路或者總線空閑時(shí)，接收器將輸出邏輯高電平。如果有更高的EMC保護(hù)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(shí)現(xiàn)更高的 485EMC保護(hù)電路的方法。下圖以NSi83085為例介紹一種實(shí)現(xiàn)485 EMC保護(hù)電路的方法。

圖6 485 EMC保護(hù)電路

NSi8308x具有內(nèi)部失效保護(hù)電路，當(dāng)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(shí)，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(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)和最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)才會加這個(gè)匹配電阻。

當(dāng)外部瞬態(tài)大電壓/電流信號（如雷擊）感應(yīng)到A、B線上時(shí)，先經(jīng)過保險(xiǎn)絲，防止當(dāng)RS-485總線與電源線搭短路時(shí)燒掉后續(xù)電路；然后用氣體放電管（GDT）進(jìn)行初級防護(hù)，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(hù)，將總線電平鉗制到7.5V以下。由于GDT響應(yīng)時(shí)間較長，在一級防護(hù)和二級防護(hù)之間需再加TBU器件，以限制GDT未響應(yīng)時(shí)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(hù)GDT，單用TVS就能實(shí)現(xiàn)浪涌保護(hù)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(shè)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(yīng)用于485系統(tǒng)中。

審核編輯：郭婷