--icoupler隔離技術(shù)提高可靠性

 

RS-485/422差分通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常用于惡劣環(huán)境下的工業(yè)和儀器應(yīng)用中。這些網(wǎng)絡(luò)能在高達(dá)1200m的范圍內(nèi)進(jìn)行通信。在惡劣環(huán)境下進(jìn)行長距離通信時(shí)，可能出現(xiàn)以下問題：

 

a.  由于不同節(jié)點(diǎn)的地電位不同而引起接地環(huán)路電流干擾；

 

b. 電機(jī)、電感轉(zhuǎn)換負(fù)載和其他高噪聲電氣設(shè)備造成感應(yīng)接地噪聲；

 

c. 有害電涌。

 

如果無法保證系統(tǒng)中不同節(jié)點(diǎn)的地電位不會超出收發(fā)器的共模范圍，那么電流隔離不失為一種理想的解決方案。電流隔離不阻止信息流，但阻止電流涌動(dòng)。通過電源隔離和內(nèi)部信號隔離可以避免此類故障發(fā)生，使用隔離收發(fā)器后，可有效防止地環(huán)路形成，總線參考地可以跟隨共模電壓的波動(dòng)而波動(dòng)，共模電壓全部由隔離帶承受，共模電壓對總線信號變得不再可見，從而保證總線能夠穩(wěn)定可靠地通信。

 

對于共模噪聲的抑制，以往很多方案采用光電隔離的方案，但該方案存在體積大、電路分離元件多、電路復(fù)雜、系統(tǒng)不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。ADI推出的單芯片RS485/422隔離器，采用ADI獨(dú)有的icoupler磁隔離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在芯片內(nèi)通過變壓器進(jìn)行脈沖耦合調(diào)制，這是與光耦合器中采用的發(fā)光二極管(LED)和光電二極管對比的不同之處。與傳統(tǒng)的光電隔離器件相比，icoupler磁隔離器件消除了與光耦合器相關(guān)的不確定的電流傳送比率、非線性傳送特性以及隨時(shí)間漂移和隨溫度漂移問題；功耗降低了90％；無需外部驅(qū)動(dòng)器或分立器件，尤其在體積與集成度方面更具有光電隔離無法比擬的優(yōu)勢。

 

圖1：ADM磁隔離原理

 

--不僅僅是隔離

 

除了隔離技術(shù)以外，惡劣的使用環(huán)境和高可靠性要求要求收發(fā)器必須具有更好的EMC抗干擾和保護(hù)功能。

 

與ADI合作三十余年的技術(shù)分銷商——Excelpoint世健公司的應(yīng)用工程師Kayden Wang向我們介紹了ADI一款適合惡劣工業(yè)環(huán)境及高可靠性要求的RS485/422收發(fā)器——ADM2795E。這是一款5 kV rms信號隔離RS-485/422收發(fā)器，該器件集成ADI公司的iCoupler® 技術(shù)，將三通道隔離器、RS-485收發(fā)器和符合IEC電磁兼容性(EMC)瞬變保護(hù)集成于單體封裝中。具有±25 V的擴(kuò)展共模輸入范圍，可提高高噪聲環(huán)境下的數(shù)據(jù)通信可靠性。同時(shí)可選擇-55°C至+125°C的寬溫增強(qiáng)型號。

 

圖2：ADM2795E功能框圖

 

? 通過IEC認(rèn)證的EMC 性能

 

工業(yè)自動(dòng)化里的可編程邏輯控制器 (PLC)通信端口通常使用 RS-485 接口，這些端口可能經(jīng)受較大的共模噪聲、接地電位差、接線錯(cuò)誤和高壓瞬變，如靜電放電 (ESD)、電快速瞬變 (EFT)和雷電浪涌（Surge）。

 

ADM2795E可提供完整的系統(tǒng)級解決方案，該方案符合IEC-61000浪涌、EFT和ESD標(biāo)準(zhǔn)，以及對傳導(dǎo)、輻射和磁場干擾的抗擾度，這些干擾在工業(yè)環(huán)境中很常見。隔離魯棒性和EMC保護(hù)的集成大幅節(jié)省了印刷電路板 (PCB)空間，以供通信端口接口使用。

 

ADM2795E的相關(guān)EMC 認(rèn)證性能：

 

•RS-485 A 和 B 總線引腳提供 4 級 EMC 認(rèn)證保護(hù)

•IEC 61000-4-5 浪涌保護(hù) (±4 kV)

•IEC 61000-4-4 EFT 保護(hù) (±2 kV)

•IEC 61000-4-2 ESD 保護(hù)

•接觸放電：±8 kV

•氣隙放電：±15 kV

•IEC 61000-4-6 傳導(dǎo)射頻抗擾度 (10 V/m rms)

•經(jīng)認(rèn)證的 IEC 61000 隔離柵抗擾度

•IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4 EFT、IEC 61000-4-5 浪涌、IEC 61000-4-6 傳導(dǎo)射頻抗擾度、IEC 61000-4-3 輻射抗擾度、IEC 61000-4-8 磁場抗擾度

 

圖3：ADM2795E的集成IEC 61000-4-5認(rèn)證浪涌解決方案，為設(shè)計(jì)師顯著節(jié)省了PCB面積

 

IEC 61000-4-6 傳導(dǎo)射頻抗擾度、IEC 61000-4-3 輻射抗擾度、IEC 61000-4-8 磁場抗擾度的通過更是保證了產(chǎn)品對日趨嚴(yán)格的電磁兼容的要求。

 

?  通信接口卓越的防雷保護(hù)性能

 

防雷設(shè)計(jì)一直是一些工程師比較頭痛的地方。使用旁路保護(hù)方法利用瞬態(tài)抑制元件（如TVS、MOV、氣體放電管等）將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地，優(yōu)點(diǎn)是成本較低，缺點(diǎn)是保護(hù)能力有限，只能保護(hù)一定能量以內(nèi)的瞬態(tài)干擾，持續(xù)時(shí)間不能很長，而且需要有一條良好的連接大地的通道，實(shí)現(xiàn)起來比較困難。并且一些針對防雷設(shè)計(jì)的TVS體積并不小，價(jià)格也偏高。ADM2795E-EP將隔離和內(nèi)部保護(hù)結(jié)合起來加以運(yùn)用。在這種方法中，隔離接口對大幅度雷電干擾進(jìn)行隔離，保護(hù)器件則保護(hù)隔離接口不被過高的瞬態(tài)電壓擊穿。

 

一些高可靠性要求的電子設(shè)備中在使用過程中可能會遭受雷擊，DO-160G標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)載設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn)程序》是通用航空電子硬件的環(huán)境測試標(biāo)準(zhǔn)。許多飛機(jī)制造商將DO-160G第22節(jié)“雷擊感應(yīng)瞬態(tài)敏感性”指定為關(guān)鍵系統(tǒng)的要求。

 

• 相關(guān)電子設(shè)備防雷保護(hù)要求

 

DO-160G第22節(jié)防雷標(biāo)準(zhǔn)模擬了直接雷擊浪涌通過飛機(jī)機(jī)身產(chǎn)生的磁場在航空電子設(shè)備中引起的瞬態(tài)電壓和電流。表1顯示對于波形3和波形4/波形1，商業(yè)飛機(jī)通常需要DO-160G第22節(jié)的1級到4級防雷保護(hù)。飛機(jī)設(shè)備劃分為三類區(qū)域，每類區(qū)域都有相關(guān)的電磁兼容性 (EMC) 環(huán)境。最惡劣的EMC環(huán)境位于A類和B類區(qū)域。

 

表1：DO-160G第22節(jié)針對商業(yè)飛機(jī)的典型防雷要求

 

ADM2795E-EP是ADM2795的增強(qiáng)型號，在高可靠性要求的惡劣應(yīng)用環(huán)境中工作時(shí)可減少系統(tǒng)故障。ADM2795E-EP具有如下重要特性：

 

• 具有增強(qiáng)DO-160G EMC抗干擾的魯棒性。

• 工作溫度范圍：−55°C至+125°C。

• 引線框：為減輕錫須問題，ADM2795E-EP采用鎳/鈀/金 (NiPdAu) 引線框表面處理。

• 生產(chǎn)：通過單處理流程基線制造的增強(qiáng)產(chǎn)品。

 

ADM2795E-EP在RS-485總線引腳上集成了經(jīng)過全面認(rèn)證的DO-160G EMC保護(hù)，可提供第22節(jié)所述的防雷保護(hù)。ADM2795E-EP還提供第25節(jié)所述的±15 kV靜電放電 (ESD) 氣隙放電保護(hù)。對于第22節(jié)的防雷要求，ADM2795E-EP可防范波形3、波形4/波形1和波形5A：對GND2的測試，使用33 Ω或47 Ω限流電阻時(shí)可達(dá)到4級要求；對GND1的測試，隔離柵上可達(dá)到4級要求。DO-160G標(biāo)準(zhǔn)的波形形狀和上升/下降時(shí)間顯著長于IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，如圖4所示。DO-160G第22節(jié)防雷標(biāo)準(zhǔn)涉及的能量非常高，ADM2795E-EP 的可靠性設(shè)計(jì)保護(hù)器件免受這些極端瞬變影響。

 

圖4：DO-160G第22節(jié)波形1和波形5A及IEC61000-4-5浪涌波形

 

? 故障過壓保護(hù)和±42 V 接線錯(cuò)誤保護(hù)

 

ADM2795E在 ±25 V 的整個(gè)擴(kuò)展共模工作范圍內(nèi)受故障保護(hù)。并且驅(qū)動(dòng)器輸出和接收器輸入受–42V至+42 VAC/DC 峰值范圍內(nèi)的任何電壓的短路保護(hù)。故障狀態(tài)中的最大電流為 ±250 mA。RS-485 驅(qū)動(dòng)器包括折返限流電路，該電路可減小電壓超出收發(fā)器的 ±25 V 共模范圍限制時(shí)的驅(qū)動(dòng)器電流。折返特性引起的這一電流減少可實(shí)現(xiàn)更好的功耗和熱效應(yīng)管理。

 

ADM2795E 在未安裝 RS-485 端接或總線偏置電阻的總線上運(yùn)行時(shí)將受到高壓接線錯(cuò)誤保護(hù)。典型的接線錯(cuò)誤為高壓24VAC/DC電源直接連接至 RS-485 總線引腳連接器。ADM2795E 可在RS-485總線引腳上承受相對于GND2峰值高達(dá)±42V的接線錯(cuò)誤故障而不損壞。在A和B總線引腳上確保接線錯(cuò)誤保護(hù)，且在連接器和總線引腳進(jìn)行熱插拔時(shí)確保該保護(hù)。

 

-支持案例

 

Kayden Wang在之前幫助世健客戶排除故障的過程中就遇到過類似問題?？蛻粼诋a(chǎn)品調(diào)試期間出現(xiàn)了RS485通訊故障和顯示屏黑屏現(xiàn)象。Kayden在和客戶一起排除故障的過程中，發(fā)現(xiàn)客戶使用的收發(fā)器是某品牌的非隔離RS485收發(fā)器。

 

由于交聯(lián)的大功率器件在啟動(dòng)過程中，啟動(dòng)電流通過電纜上的分布電容及電感耦合產(chǎn)生的電壓傳導(dǎo)至產(chǎn)品內(nèi)部地線，造成RS485總線與地線的瞬時(shí)電壓過高（此RS485收發(fā)器能夠承受共模電壓最大范圍（-7V～+12V），使收發(fā)器發(fā)送引腳與參考地?fù)舸┎⒍搪?，?dǎo)致RS485通訊失效。

 

RS485收發(fā)器與產(chǎn)品微控制器通過同一組+3.3V電源供電，電源正常范圍為2.7V～3.6V，同時(shí)產(chǎn)品內(nèi)部27VDC與3.3V電源共地，當(dāng)功率器件斷開時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓通過27VDC地線傳導(dǎo)至產(chǎn)品內(nèi)部地且收發(fā)器已損壞，導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部3.3V電源與地之間的壓差低于2.7V，使微控制器短時(shí)復(fù)位，并進(jìn)一步導(dǎo)致黑屏。

 

針對此故障現(xiàn)象，結(jié)合客戶對EMC和防雷設(shè)計(jì)的要求，Kayden推薦客戶使用ADM2795E+ADuM6028（隔離供電）的方案。如圖5所示，后經(jīng)對測試板的測試，對收發(fā)器的輸出引腳和地線施加共模脈沖，幅值調(diào)整范圍為（-10V～+15V），用檢測設(shè)備監(jiān)測產(chǎn)品內(nèi)部3.3V電源和輸出信號，產(chǎn)品通訊正常，系統(tǒng)穩(wěn)定。后續(xù)也順利通過各種EMC測試和防雷試驗(yàn)。該客戶的通訊端口可靠性得到大幅提高。

 

圖5：2.5 Mbps,5 kV信號和電源隔離RS-485方案（±42V故障保護(hù)和Level4EMC保護(hù)）

 

ADM2795E集成化的完整的系統(tǒng)級解決方案可適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)案例證明，ADM2795E不僅可以提高RS485/422通訊的可靠性，而且電路也十分簡單。

 

關(guān)于世健——亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商

 

世健是完整解決方案的供應(yīng)商，為亞洲電子廠商包括原設(shè)備生產(chǎn)商(OEM)、原設(shè)計(jì)生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務(wù)提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件、工程設(shè)計(jì)及供應(yīng)鏈管理服務(wù)。

 

世健與供應(yīng)商及電子廠商緊密協(xié)作，為新的科技與趨勢作出定位，并幫助客戶把這些最先進(jìn)的科技揉合于他們的產(chǎn)品當(dāng)中。集團(tuán)分別在新加坡、中國及越南設(shè)有研發(fā)中心，專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)造新的解決方案，幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設(shè)計(jì)可應(yīng)用于工業(yè)、無線通信及消費(fèi)電子等領(lǐng)域。

 

世健是新加坡的主板上市公司，總部設(shè)于新加坡，擁有約750名員工，業(yè)務(wù)范圍已擴(kuò)展至亞太區(qū)40多個(gè)城市和地區(qū)，遍及新加坡、馬來西亞、泰國、越南、中國、印度、印度尼西亞、菲律賓及澳大利亞等十多個(gè)國家。世健集團(tuán)在2018年的年?duì)I業(yè)額超過12億5千萬美元。世健于1993年開始發(fā)展中國業(yè)務(wù)，中國區(qū)總部設(shè)于香港，并擁有11個(gè)分公司及辦事處、研發(fā)中心及物流中心，業(yè)務(wù)遍及中國多個(gè)城市和地區(qū)。

 

 

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