應用簡報

RS-485 簡介

RS-485 是工業遠距離網絡中最廣泛應用的有線接口之一。TIA/EIA-485-A 標準定義了 RS-485 接口的物理層。終端應用使用與 Profibus、Modbus 或 BACnet 等協議耦合的 RS-485 接口。該接口的主要優點包含：

1. 平衡差分信號允許抑制共模噪聲，便于在有噪聲的工業環境中實現遠距離通信。
2. 支持 –7V 至 12V 寬共模范圍，允許位于不同接地電位差的節點之間進行多點數據傳輸。
3. 短距離的數據速率可高達 50Mbps，較低數據速率下的通信距離可長達 1000 米。

RS-485 的應用包含電能表、電網保護繼電器、光伏逆變器、工廠自動化、電機控制和暖通空調 (HVAC) 系統。

終端應用中的隔離式 RS-485

圖 1-1 所示為 AC 電機驅動的典型方框圖：

控制模塊通常通過 RS-485 物理層與可編程邏輯控制器 (PLC) 通信。在工廠環境中，交流驅動器和 PLC 之間的接地電位差 (GPD) 通常遠遠高于 RS-485 標準中建議的共模電壓范圍。在驅動系統中 RS-485 總線收發器的信號和電源線中，通常會引入電氣隔離，以斷開接地回路。這種技術允許在巨大 GPD 存在的情況下在驅動器和 PLC 之間傳輸數據。在這種情況下，RS-485 鏈路的基本隔離就足夠了，因為功率級中的高壓已經與控制級隔離。由于存在感應開關，RS-485 鏈路上的電快速瞬變脈沖群 (EFT) 也成為一個關鍵問題。

圖 1-2 顯示了光伏逆變器的典型實現方式。RS-485 用作逆變器與控制站之間的通信通道。配置和性能參數通過 RS-485 鏈路在控制站和逆變器之間傳輸。

在圖 1-2中，驅動逆變器級的控制模塊參考直流高壓。RS-485 鏈路連接到一個容易被觸及的連接器，必須受到保護以免受高壓的影響，保證操作人員的安全，并加強隔離。隨著對更高轉換效率的需求不斷增加，光伏逆變器正在設計更高的直流鏈路電壓，最高可達 1500V，這意味著 RS-485 通信的隔離柵需要更高的工作電壓。

其他性能注意事項

除了隔離之外，需要隔離式 RS-485 的系統具有以下關鍵要求：

1. 差分輸出電壓擺幅：RS-485 接口上的差分擺幅越大，所允許的信噪比越高且覆蓋范圍越遠。 Profibus 兼容的收發器支持不低于 2.1V 的 V_OD 且用于多個驅動器和工廠自動化系統。
2. 對瞬態噪聲的魯棒性：在工廠車間或室外環境中運行的有線接口易受靜電放電、雷擊或電氣快速瞬態等瞬態噪聲的影響。一個穩健的 RS-485 鏈路期望能經受住這些嚴酷的瞬變，并使數據傳輸的數據損耗降至最低甚至為零。
3. 熱插拔時無干擾上電/斷電：在 RS-485 網絡中，重要的是當新節點換入或換出網絡時，不得干擾兩個節點之間的總線上的現有通信。

新型隔離式 RS-485

ISO1410 是德州儀器 (TI) 最新推出的隔離式 RS-485/Profibus 收發器，具有上述所有功能。圖 1-3 所示為典型的應用原理圖。該器件在邏輯側可在 1.71V 至 5.5V 之間工作，能夠與低壓 FPGA 和 ASIC 進行連接。寬總線側電源電壓范圍為 3V 至 5.5V ，消除了對穩壓電源電壓的需求。該器件系列完全能夠在 –40°C 至 +125°C 的寬工作環境溫度范圍內正常工作，并采用 16 引腳寬體 SOIC 封裝（8mm 爬電距離/間隙）。

根據 UL1577 標準，SiO2 隔離柵可承受 5kV_RMS 的隔離耐受電壓，持續 60 秒。其有基本隔離版和增強隔離版可供選擇，如 表 1-1 所示。

基于 SiO2 的隔離柵具有優越的隔離性能，可耐受溫度和濕度。隔離工作電壓為 1500V_PK ，使用壽命為 40 年，是行內內最高的，可用于 1500V 光伏逆變器和 690V_AC 電機驅動系統。

ISO1410 的其他差異化特性包含：

1. 片上 16kV IEC ESD（接觸放電）和 4kV IEC EFT 保護改進了針對瞬態事件的穩健性。通過適當的系統設計及對隔離柵的使用，可以消除對總線上的外部保護元件的需求，并實現 4 級 EMC 保護。
2. 共模瞬變抗擾度最低為 85kV/us，是行業內最高的。這確保了在快速變化的共模噪聲存在的情況下通過隔離柵進行可靠的數據通信。
3. 1/8 單位負載以支持總線上多達 256 個節點。
4. 接收器失效防護電路在總線短路、開路或空閑條件下提供邏輯高輸出。這也消除了對傳統隔離式收發器中所需的 2 個偏置電阻的需求。