如何隔離 RS-485 以實現最小的尺寸和最高的可靠性

對 RS-485 端口進行電隔離

幾十年來，RS-485 一直是業界常用的有線通信接口。RS-485的平衡差分信號傳輸特性可抑制共模噪聲，并能在嘈雜的工業環境中實現遠距離通信。因此，RS-485 成為大多數工業應用（例如工廠自動化、保護繼電器、電能表、電機驅動器和樓宇自動化）中常見的通信端口。

TIA/EIA-485-A 標準規定兼容收發器必須在 ±7V 接地電位差 (GPD) 下工作。如圖 1-1 所示，接收器總線引腳上的共模電壓 (Vcm) 是 GPD、驅動器輸出共模電壓 (Voc) 和總線引腳的任何共模耦合噪聲 (Vn) 的總和。隨著節點之間通信距離的增加使 GPD 更高，亦或工業環境變得更加嘈雜使更多共模噪聲在總線上耦合，接收器總線引腳上的共模電壓會超出其建議的工作條件。這樣，會導致數據損壞或收發器損壞。

如圖 1-2 所示，在 RS-485 收發器信號和電源路徑中實現電隔離可解決此問題。由于隔離柵阻抗 (>10¹²Ω) 遠大于 RS-485 接收器的輸入阻抗，因此任何與 GND2 有關的電壓主要分布在隔離柵兩端。隔離允許在接收 MCU 和浮動收發器之間進行信號傳輸，同時處理 GND1 和 GND2 之間的較大接地電位差。

傳統解決方案

一直以來，系統設計人員使用基于光耦合器的解決方案在具有較大 GPD 的節點之間進行通信。如圖 1-3 所示，一個典型的實現方案需要一個 RS-485 收發器、2 個用于傳輸和接收數據的高速光耦合器、一個用于方向控制的低速光耦合器、2 個用于驅動光耦合器 LED 的施密特緩沖器、1 個用于清除低速光耦合器慢速邊沿的施密特觸發器、幾個用于正確偏置的電阻器和幾個旁路電容器。

光耦合器解決方案面臨的挑戰是需要使用大量外部元件來實現 RS-485 端口隔離，這會增加電路板面積并帶來了潛在的可靠性問題?；?SiO2 集成型隔離式 RS-485 解決方案為需要緊湊的設計和更低的時基故障 (FIT) 率的設計人員提供了一種緊湊而可靠的方案以替代光耦合器解決方案。

集成型隔離式 RS-485 收發器

TI 為各種終端應用提供了多種基于不同隔離等級的隔離式 RS-485 收發器。ISO1410 是一款集成 IEC ESD 和 EFT 保護的抗噪聲收發器，采用業界通用的 16 引腳 SOIC 封裝。ISO1410 提供符合符合 UL 1577 標準的 5kVRMS 隔離額定值和符合 VDE 的 1500Vpk 隔離工作電壓。某些應用僅需要基本隔離即可在接地電位差高于標準定義的 ± 7V 的節點之間進行通信。ISO1500 在微型 SSOP-16 封裝中集成了隔離式 RS-485 端口的完整功能。ISO1500 提供符合 UL 1577 標準的 3 kVrms 隔離額定值和符合 VDE 的 566Vpk 隔離工作電壓。

解決方案尺寸比較

下圖展示了光耦合器解決方案（圖 1-4）、采用常見 16-SOIC 封裝的隔離式 RS-485 解決方案（圖 1-5）和使用 ISO1500 的解決方案（圖 1-6）三者之間的布局比較。ISO1500 與光耦合器解決方案和采用 16-SOIC 封裝的解決方案相比，將解決方案的電路板面積分別減小了高達 85% 和 50%。

ISO1500 的微型封裝和強大功為那些需要對 RS-485 通信端口進行接地環路基本隔離，并且布板空間有限的設計，提供了一個令人信服的工業應用解決方案。

可靠性比較

除了節省 PCB 空間外，以下是 ISO1500 和 ISO1410 提供的一些優于光耦合器解決方案的其他優勢：

1. 隔離柵具有的可靠性：ISO1500 基于 TI 的 SiO2 隔離技術，其中由 SiO2 電介質制成的高壓電容器可提供高水平的隔離。高壓電容器采用良好控制的半導體工藝制造，并且器件間差異非常小。另外，時間相關電介質擊穿 (TDDB) 技術很好地定義了隔離柵的壽命。另一方面，光耦合器具有很大的制造不確定性，并且標準中沒有明確的方法來計算器件壽命。下述白皮書提供了有關 TI SiO2 隔離技術壽命可靠性的詳細說明： 實現高質量和可靠的高壓信號隔離
2. 在更高的環境溫度下可靠運行：大多數光耦合器的額定溫度最高可達 85°C。市場上有額定溫度為 105°C 的光耦合器，但罕見且高昂。ISO1500 的特征是擴展工業溫度范圍為 –40 至 125°C ，使電機驅動等應用在器件建議的最高環境溫度內游刃有余得運行。這可以在靠近 RS-485 端口的高功耗電路（例如絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 功率級）存在的情況下實現可靠運行。
3. 瞬態噪聲存在的情況下可靠運行：市場上可用的光耦合器的典型 CMTI 為 15kV/us 至 25kV/us。這意味著如果 1 側到 2 側之間的噪聲變化速度超過 15-25kV/us，則隔離柵中的數據通信可能會被破壞。ISO1500 提供的典型 CMTI 為 100kV/us。這是對可靠數據傳輸和更好的抗噪能力的直接衡量。ISO1500 對瞬態噪聲具有穩健性，因為其集成了用于 HBM ESD、IEC ESD 和 IEC EFT 的總線側保護電路。

結論

存在較大 GPD 的情況下，遠距離的可靠通信是設計 RS-485 端口的一個重要考慮因素。隨著越來越多的應用朝著小型化方向發展，采用光耦合器的傳統解決方案會占用大量 PCB 布板空間。

ISO1500 采用 4.90mm x 3.90mm SSOP 微型封裝，其電源引腳僅需要 3 個旁路電容器形式的外部元件即可實現全部功能，而基于光耦合器的實施方案需要 19 個元件。緊湊的解決方案尺寸以及卓越的隔離性能和瞬態噪聲抗擾度使該器件成為空間受限的工業應用一個極具吸引力的選擇。