实施隔离以进行通信

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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。

隔离的通信行得通
用 LTM2881 隔离式 RS485 收发器 (图 2c) 取代该 RS485 收发器,可以解决数据讹误问题,正像在图 4 的对应波形中显而易见的那样。在这种配置中,加到接收器输入的共模信号几乎全部落在隔离势垒上。与接收器隔离的地随着接收器输入的共模电压变化,就附在其之上。结果,接收器不把这看作是一种共模变化,并继续可靠地检测差分数据。
 
图 4:LTM2881 隔离式 RS485 在存在严重的共模电压情况下通信

请注意,在图 4 中,共模频率已经升高到 2MHz,这导致在电缆末端进入接收器 (蓝色波形) 的信号幅度显著提高到 40VPP。这个共模电压幅度远远超出 RS485 标准中规定的性能规格,会给大多数非隔离式 RS485 收发器带来考验。通过改善配线,LTM2881 隔离式收发器甚至可在更高的共模变化频率上继续工作,下面探讨这个问题。

进一步的配线改善
之前的讨论集中在具无屏蔽双绞线总线配线的隔离式收发器和非隔离式收发器之间的差别。更好的配线选择包括,采用屏蔽导线和一种将所有隔离的地节点连到一起的公共导线。以下讨论采用这些方法的两种配线配置。
图 2b 显示用诸如 Belden 9841 电缆等屏蔽双绞线连接的非隔离网络。屏蔽层应该只在一个点连接,以避免产生地环路。将屏蔽层连接到接收器地,可为提高系统性能提供最佳分流。在多节点、非隔离网络中,主节点一般是屏蔽层连接点。屏蔽所起的作用是将耦合能量分流至地而不是信号线。对于缩小网络不同节点上的驱动器和接收器之间的地电位差来说,屏蔽并不起任何作用。如以下讨论的那样,这个限制在隔离式网络中消除了。


图 2d 说明了用于隔离式收发器的最佳配线选择。采用一根普通导线将每个节点上的所有隔离地连接在一起。在某个点上将该公共接头连接至非隔离地,以确立另外的未接地网络的标称电压基准电平。这可防止总线浮动至超出隔离额定值的过高电压。


这种配置可使 RS485 接收器发挥最佳性能,因为接收器的隔离地电位跟随输入信号的共模,并被吸收到隔离势垒上。既然接收器地随着信号变化,那么接收器就没有抑制共模电压瞬态的负担了。跨隔离势垒传送数字编码数据的电路承担瞬态和共模抑制这个任务。在 LTM2881 中,数字隔离使用差分电感信号和编码来传送数据。LTM2881 可以抑制高于 30kV/us 的瞬态转换率,例如,势垒电压仅在 27ns 内就有 800V 变化,而不会丢失任何数据。


图 2d 还显示了一个单独的屏蔽层,该屏蔽层在一个点连接到大地的地电位,以分流耦合的噪声。不过,有些系统不会既选择屏蔽层又选择单独的基准配线。在这种情况下,最佳选择是将屏蔽层连接到每个隔离收发器的公共终端,然后再在一个点连接到大地的地电位。如果 RF 抗扰力仍然是一个担忧之处,那么从每个接收器公共端到地的一个高频、高压电容器有助于从收发器分走能量。

需要隔离的网络
如前面的讨论所显示的那样,隔离可以改善数据通信的可靠性。不过,一个可从隔离受益的正常运行网络有哪些特点呢?哪些证据可以证明给一个网络产品增加隔离是正确的呢?


系统将获益的第一个指示是在经常进行信息重发的时候。较高级的协议可以处理随机误差 (由一个校验和来检测),并偶尔重新发送某个信息。较高级的协议也可能随机丢失信息、超时和重新初始化。这也可以恢复,尽管会降低系统性能。信息重发和重新启动经常发生时,系统响应就会变慢。节点将不会以预期的速度更新,编号靠后的地址或线路末端的节点可能很少更新,因为重新启动经常将主控信号发回到序列中的第一个节点。在有现实世界干扰的现场情况下,系统性能可能比在实验室中进行系统测试和验证时观察到的要差。协议差错检验和恢复应该只处理难得一见的事件。在正常工作情况下能看到通信差错时,就要采用隔离。


其他有可能需要隔离的指示是现场故障和早期产品退货。退回的产品损坏了或者报告有通信故障吗?潜在的现场故障和安装时损坏的组件都要考虑。正确使用隔离可以保护收发器免受某些配线差错的影响,否则这些配线差错可能损坏标准收发器。当地的闪电风暴使故障增多了吗?隔离的收发器提供额外的保护,以免受到电气浪涌和高的地电位差的影响。


另外还有一个指示,即标准的 (非隔离) RS485 不够牢固可靠。某种类型的网络节点有可能以不可预知的方式运作,而其他类型的节点则以一致的方式做出响应。例如,不可预测的节点可能是大楼控制系统中的一个大型风扇控制器。相比之下,温度、湿度和空气流动传感器节点则表现得符合规则。风扇电动机辐射电气噪声,并将高的谐波分量传导到局部接地回路中。另外,风扇控制器常常在连接到有 20 个或更多节点的大型网络时表现尤其不佳。节点较多的网络有额外的菊花链配线连接,这在两条差分数据线 A 和 B 上增加了电容,也增加了电容失衡。数据线上的电容失衡往往导致将共模信号转换成错误的差分信号,从而引起通信差错。这是风扇控制器在大型网络上通信不好的情况举例。具有一条公共基准导线的隔离通过吸收共模信号以减轻这个问题,因此防止通过电容失衡转换成差分信号。

最大限度地获得隔离的益处
对任何网络产品来来说,隔离都是一个可行的改进方法。一个隔离的通信接口可以减轻显现的问题,使通信更可靠,并使网络产品能够承受极端条件。


图 5 显示了在一个半双工网络中,采用 LTM2881 隔离式 RS485 收发器的典型应用和配线。该电路说明,将一条基准导线或屏蔽层连接到每个隔离式收发器的公共点是一种好的做法。它应该在一个点连接到基准或地。如果还会使用一个单独的屏蔽层,那么它应该连接到相同作为基准线的大地的地点。这条基准线强制所有收发器的公共点处于相同的电平,从而消除了接收器的共模信号。相比之下,屏蔽层只能在耦合的噪声到达数据线之前将其分流掉。


考虑将 LTM2881 隔离式 RS485 微型模块收发器用于所有 RS485 设计,甚至在目前没有使用隔离的设计中。这有望增强产品可靠性、减少现场故障、并改善客户对产品保留的持久性。

 
图 5:LTM2881 的典型应用