RS-485隔离式数字接口

本文重点讨论符合RS-485标准(目前仍是业内最主要的数据传输标准)的隔离式数字接口，并将提出RS-485共模电压范围(CMVR)的定义，解释应怎样隔离收发器的讯号和供电通路与本地控制器电路，才能使其承受巨大的共模电压。

隔离是防止电流在两个通讯点之间流动，但允许数据和功率讯号在其间传输的一种手段。隔离可防止高电压对敏感电子组件造成损坏或对人造成伤害，另外它还可以透过大的地电位差消除通讯链路中的接地回路，来保持讯号完整性。

过去十年，法规发生了变化，要求在恶劣环境中运行的机器和设备对其数据传输系统实施隔离。现在的趋势是从原来的单信道隔离式系统向利用多信道隔离技术的应用转变，由此产生了新型隔离组件。这些应用中有许多涉及电信、工业网络、医疗系统、传感器接口、电机控制和驱动系统，以及仪表中的数据传输。

本文重点讨论符合RS-485标准(目前仍是业内最主要的数据传输标准)的隔离式数字接口，并将提出RS-485共模电压范围(CMVR)的定义，解释应怎样隔离收发器的讯号和供电通路与本地控制器电路，才能使其承受巨大的共模电压。最后，本文将介绍一种基于巨磁阻(GMR)技术的新型RS-485隔离器，并讨论其相对于其他隔离技术的优点。

共模电压范围
RS-485标准规定的共模电压范围为-7V~+12V。图1显示了该范围，包括驱动器输出共模电压(VOC)、驱动器和接收器地线(GPD)间的接地电位差和纵向耦合噪声(VN)。

 

图1 非隔离式RS-485数据链路中的VCM：VCM = VOC + GPD + VN

驱动器用于产生围绕共模分量VCM=VCC/2的对称差分输出(VD)，使得在一个输出端的线路电压VA=VCC/2±VD/2，在互补输出端的电压VB=VCC/2∓VD/2。

接收器仅处理规定CMVR范围内的差分讯号，并抑制共模分量。这透过等量减弱共模和差分讯号的内部分压器来实现(图2)，然后用差分比较器在两个减弱输入讯号之间建立压差，从而只放大差分分量。

分压器代表每个接收器输入和接收器地线之间的共模电阻(RCM)，所以数据链路的整个共模电压会在这些电阻上下降。这意味着对于标准收发器，其接收器必须准确地检测整个CMVR范围(-7V~+12V)内的差分输入电压。

为适应较高的共模电压(VCM)，如±25V，收发器总线I/O级经过重新设计，使驱动器输出晶体管具有较高的峰值电压，接收器分压器具有较高的分压比，这就需要更高的电阻值。

对于非常高的共模电压(如几百 V)，则需要插入电流隔离势垒(galvanic isolation barrier)，以消除收发器总线端子上的高电压。

图2 接收器等效电路图(a)，其共模表示(b)和进一步简化的VCM等效电路(c)

隔离扩大CMVR
图3所示为隔离式数据链路，仅接收器与其本地控制器隔离，正确的电流隔离必须包括电源和数据线路。对于电源埠，隔离式DC/DC转换器可将以大地为参考的微控制器电源轨VCC2和GND2转换为收发器的隔离浮动电源轨VCC2-ISO和GND2-ISO。

数据路径隔离透过数字讯号隔离器(ISO)提供。隔离器的总线侧由VCC2-ISO和GND2-ISO供电，隔离器的控制器侧由VCC2和GND2供电。
因为电流总是返回电源，所以接收器的隔离电源轨与驱动器的非隔离电源轨之间不会相互影响。

 

图3 隔离式RS-485数据链路的VCM

图3清楚地显示了以大地为参考的地线GND1与GND2之间仍然存在接地电位差(GPD)，如同讯号对导体与GND2之间的共模电压一样。然而，隔离势垒已将接收器地线与GND2解耦，从而将其转换为浮动地线(GND2-ISO)。

图4的隔离式接收器节点的共模等效电路解释了这种设计。因为隔离势垒的巨大电阻(RISO=1014Ω)是与阻值小很多的接收器共模电阻(RCM=105Ω)串联，整个VCM在RISO上实现了压降，消除了接收器上的共模影响(VRcm=0V)。另外，GND2-ISO电位可跟踪接收器输入电压，因此无需担心超出接收器的最大输入电压(相对于接收器地线)。由于VCC2-ISO还以GND2-ISO为参考，所以无论共模电压水平如何，隔离式接收器上的供电电压值都会保持在合适水平。

图4 RISO上的VCM压降