实施隔离以进行通信

作者：凌力尔特公司混合信号产品设计中心经理 Jeff Marvin
高级设计工程师 Brian Jadus

引言
在从工业控制系统到路边交通信息通告板的各类应用中，RS485 网络为通信提供了基础。在存在高压的环境中，为了人的安全和保护设备，常常使用从通信总线到逻辑控制器的电气隔离。

隔离的益处常常被忽视，从而影响了系统性能，而不是简单地保护系统免受危险电压影响。这些好处以如下形式呈现：在存在严酷的地扰动和其它系统级噪声的情况下，通信不间断、无差错，否则这些扰动和噪声会使非隔离系统运行不正常。

有几家制造商提供隔离的 RS485 收发器。这些解决方案大多数提供数据隔离，但是不提供驱动总线接口所需的隔离电源。用户只好自己设计解决方案，这需要笨重的、昂贵的分立组件，以形成隔离的 DC/DC 转换器。总的尺寸、费用、功耗或复杂性可能使设计师不敢在系统中使用隔离，而系统却有可能真正从隔离中受益。
凌力尔特公司新的隔离器微型模块 (?Module®) 技术采用小型 11.25mm x 15mm x 2.8mm 表面贴装封装，提供一个完整的电源和数据隔离解决方案 (图 1)。LTM2881 包含一个可靠的隔离式 RS485 收发器和一个隔离式 DC-DC 转换器，能为总线接口电路和辅助电路提供高达 1W 的功率。这个微型模块收发器不需要外部组件，甚至去耦电容器和一个可电通断的网络终止电阻器也是内置的。对于为每个通信节点的 RS485 网络设计隔离来说，易于使用和小的占板面积使 LTM2881比以往任何时候都更有吸引力。

本文讨论在 RS485 网络中使用隔离的性能益处，找到可能受益于隔离的网络特性，解释各种不同的配线配置的权衡，以最大限度地提高一个隔离系统的性能。

 
图 1：LTM2881 隔离式微型模块收发器

地与共模电压干扰
开发和标准化 RS485，是为了在地电位差高达 ±7V 的收发器之间实现通信。相对于任何节点的局部"地"，总线上的信号允许承担 -7V 至 +12V 的电压。这些地电位差由各种情况引起，包括大地地电位变化，或受负载影响的其它电路所共用的接地回路压降。

在有些情况下，没有直接联系的瞬态事件可能导致远超过 ±7V 的地电位改变。这些情况有可能在接收到的数据中引入差错，或者更糟，损坏收发器及有关的系统电路。恰当使用一个诸如 LTM2881 这样的隔离式收发器，可扩大所允许的共模电压范围 (差分信号线路相对于地的平均电压)，并保护电路免受 560V 连续高压或持续 60 秒的 3750VDC 引起的损坏。当网络线路在建筑物之间经过时，间接的闪电冲击是常见的严重电压干扰的原因。瞬态电压抑制器 (TVS) 常常用来吸收非常高的瞬态电压，同时用隔离提供附加的保护。没有隔离，单次电压浪涌可能损坏一个网络上的所有设备。

多次重复的地和信号干扰可能源自对邻近 RS485 总线配线的 60Hz AC 电源线的耦合，或者 60Hz 电流可能传导到共用地或电源线中。计算机、打印机、荧光灯、变速马达驱动器和其他的电子非线性负载也会将显著的频率谐波引入功率分配中线、接地线和通信网络线。正如下面的内容将显示的那样，这些干扰可能在 RS485 网络中引起真实的数据差错，隔离可以减轻这个问题。

被发送但不被接收
面向非隔离和隔离网络的 RS485 配线配置如图 2 所示。为方便起见，该图显示了点到点单向通信，但是其中的理念也适用于多节点网络。图 2a 显示了一个用低成本 5e 类 (Cat 5e) 电缆实现的非隔离、无屏蔽双绞线连接。图 3 显示，在驱动 100 英尺电缆并在驱动器和接收器之间引入一个地电位差时，在这个网络上的多个点捕捉的示波器波形。波形的颜色对应于图 2 中探头位置的颜色。接收器输出端的所有信号都相对于大地的地电位测量。
 
图 2：RS485 配线配置

 
图 3：图 2a 非隔离网络的数据损失

通道 3 (绿色) 显示在 DI 引脚进入发送驱动器的数据信号，而通道 4 (红色) 是来自远端收发器 RO 引脚的数据输出，这个输出应该跟随该数据输入，只是有传输延迟。

图 3 上部的黄色波形是在具有 7V 幅度 (14VPP) 的地电位之间引入的正弦波电压信号。通道 2 (蓝色) 显示穿过 100 英尺电缆后在接收器负输入端的"B"信号。叠加在大共模电压信号上的"B"端数字数据与这个大共模电压信号相比，几乎察觉不到。

图 3 显示明显的差错。有两种因素导致数据损失，这两种因素都与 RS485 接收器的有限共模抑制能力有关。首先，共模信号的高频分量，这里大约为 1.2MHz，超过了大多数 RS485 接收器共模抑制的有效带宽。其次，提供给接收器的共模信号的幅度远超过允许的 -7V 至 +12V 范围。在这种情况下，在 100 英尺导线末端的信号幅度将达到 ±20V 的峰值，尽管在近端引入激励的电压峰值仅为 ±7V！这种幅度峰值在网络配线的谐振频率上被最大限度地提高了。请注意，这不涉及总线的差分特性，这表现得像一条传输线，但这是与共模阻抗有关的一种特性。谐振频率是电缆长度、电缆配置 (例如，是绕成线圈的，还是直的) 和所连接节点复阻抗的函数。有趣的是，由于频率分量和幅度峰值，一个 ±7V 的共模信号就能够破坏 RS485 信号传输。