基于脉冲变压器的总线式RS485隔离器

图1中虚线框内即为总线式RS485隔离器。其中脉冲变压器用于节点隔离；瞬变电压抑制二极管反向箝位于5．0 V，用于保护节点内部的BS485芯片；正向箝位于0．7 V，用于维持1电平时及总线空闲时各节点RS485芯片A、B间所需的弱正偏电压，并吸收脉冲变压器振铃。
3．3 脉冲变压器及其主要参数
脉冲变压器是一个工作在暂态中的变压器。为获得尽可能小的波形传输失真，对于给定的激励脉冲宽度tw，应使输出波形的边沿过渡时间tr和顶降λ都尽量小。在较高的要求下，一般须保证：
输出波形的边沿过渡时间 tr≤0．2xtwmin (1)
输出波形的顶降 λ≤10％ (2)
式(1)中，twmin为激励脉冲的最小宽度。
3. 4 激励脉冲宽度tw、输出波形过渡时间tr与波特率B的关系
图2是TTL电平的串行数据帧格式，每帧数据流中包含1位起始位、8位数据位、1位校验位、1位停止位。数据低位在先。

图2中，(a)、(b)、(c)依次为传送55H、00H、FFH时的波形。就BS485信号而言，0电平期间对应于脉冲变压器的被激励时段，而(b)、(c)波形代表了两种极端被激励情况。
如果设数据通信的波特率为B，则图2中的每一个bit位的持续时间为1／B。不难理解，对于给定的波特率B，作用于脉冲变压器的激励脉冲的最大宽度和最小宽度分别为
twmax=(1+8+1)×(1／B)=10x(1／B) (3)
twmin=1／B (4)
设RS485通信的波特率上下限分别为Bmax、Bmin，则根据式(1)、(2)、(3)、(4)，要求脉冲变压器：
激励脉冲宽度tw=twmax=10x(1／Bmin) (5)
波形过渡时间 tr≤0．2xtwmin=0．2x(1／Bmax) (6)
且须保证顶降 λ≤10％ (7)
3．5 关于初、次级间的耦合电容
光耦芯片的输入、输出间的耦合电容很小。相比之下，脉冲变压器初、次级间较大的耦合电容，不利于高频或尖峰共模冲击干扰的隔离抑制。为解决这一问题，可尽量选用超高导磁率的铁芯，并改进变压器绕制工艺，降低绕组分布电容；还可以在变压器的初、次级绕组间增设屏蔽层，并将屏蔽层接地。

4 实验情况及脉冲变压器设计依据
理论上，我们当然希望用作RS485隔离器的脉冲变压器能够覆盖RS485通信中可能遇到的所有波特率——从75 bit／s直到10Mbit／s，但事实上任何一只脉冲变压器都不可能做到这一点，也没有必要这样要求。由此形成的思路是，可用系列化的脉冲变压器实现各种常用波特率的分段覆盖，以供用户选择。另一方面，只有较远距离的数据通信才有必要加装隔离器，而较远距离数据通信的波特率既不会太高，也不会太低。这也会使问题更加简化。
对于RS48通信网，若用Bmax和Bmin分别表示某一区间的波特率上下限，则通常情况下：
Bmin=1 200 bit／s≤B≤115 200bit／s=Bmax (8)
而工业环境下最有可能的波特率范围是：
Bmin=2400bit／s≤B≤19 200bit／s=Bmax (9)
其上下限比值：
Bmax／Bmin=19 200／2400=8 (10)
根据笔者的实验结果，由同一只脉冲变压器兼顾Bmax／Bmin=8并不难做到。以此为例，参照式(5)、(6)、(7)及RS485接口芯片常规电气指标，可得符合式(10)的脉冲变压器的主要设计依据为：
脉冲宽度tw=10x(1／Bmin)=10x(1／2 400)=0.52x10-3s
过渡时间tr≤0．2×(1／Bmax)=0．3x(1／19 200)=10．4x10-6s
顶降 λ≤10％
匝数比 N=1：1
脉冲电压 Vp=5 V
脉冲源内阻Ri≈20Ω
负载电阻 Rl≈40Ω
隔离电压 V=2 500V

5 结束语
1)利用脉冲变压器，可较好地解决总线式RS485隔离器设计复杂的技术难题，并具有简单实用、无需电源、无需考虑数据流向、在有限范围内波特率自适应、底层用户群体易于理解和掌控等特点。
2)基于脉冲变压器的总线式RS485隔离嚣，尤其适合于空间电磁场比较复杂的工业环境下半双工的A、B二线制RS485通信网的升级改造。
3)隔离所有节点后，一般应为处于浮置状态的通信线路提供静电泄放通道。这时可采用带屏蔽层的双绞线作为通信线路，并将其屏蔽层接至地网。
4)文中所述方案的基本思想也适用于全双工的W、X、Y、Z四线制RS485／BS422通信网的节点隔离。