RS-485现场总线的数字隔离选型有哪些考虑

RS-485系统通常用于连接多个系统，电缆铺设距离很长（有时超过4000米），因此总线和所连接的各系统之间的隔离非常关键。今年越来越普及的数字隔离技术在RS-485电缆网络和与之连接的系统之间提供了重要的隔离，并防止过压瞬变，同时避免在RS-485网络中形成接地环路。

在工业应用中，如今对隔离和数据收发存在两大需求：更高的数据速率和更低功耗的工作模式。ADI公司的iCoupler数字隔离器和RS-485收发器产品系列可以很好地满足这两大需求。

对于高性能电机控制编码器应用而言，通常需要更高的数据速率、更小的 RS-485 收发器封装和 IEC 61000-4-2 ESD 保护。ADM3065E/ADM3066E 50 Mbps 收发器采用节省空间的 10 引脚 LFCSP 封装，可提供±12 kV（接触）和±12 kV（空气）的 IEC 61000-4-2 ESD 保护功能，为 EnDat 编码器提供了一套可靠的解决方案（请参考 AN-1397 应用笔记了解更多 信息）。

此外，在 ADM3065E/ADM3066E 中添加高速稳定的信号和功率隔离可以通过 isoPower ADuM6401 或 isoPower ADuM6000 及 iCoupler ADuM241D 来实现，如本应用笔记中所述。

在电池供电系统、井下应用（例如，采矿）以及在 4 mA 至 20 mA 环路中工作的过程控制系统中，往往对低功耗工作模式具有较高需求。ADI 公司生产的微功耗数字隔离器 ADuM1441 在关断模式下的静态功耗低于 23 μA。ADM3483 3.3 V、250 kbps RS-485 收发器的静态功耗极低，关断模式下通常仅 2 nA。

图 1 所示为适合井下应用稳定可靠的低功耗隔离式 RS-485 解决方案。ADM3483 和 ADuM1441 共用可提供一条通往远程地下测量节点的可靠低功耗链路。系统接口卡包括 ARM Cortex 微控制器单元(MCU)、ADuCM3027 和集成模拟前端(AFE)AD7124-4，用于远程温度和压力测量。系统接口卡的固件更新通过远距离 RS-485 电缆提供，更新后能够在最长 1 km 的远距离内实现低数据速率传输（例如，9.6 kbps）。

图 1. 适合井下应用稳定可靠的低功耗隔离式 RS-485 解决方案

隔离式高速 RS-485

利用 iCoupler 和 isoPower 技术，可以向 ADM3065E 中增添兼具加强绝缘和 5 kV rms 瞬态耐受电压的电流隔离。ADuM6401 提供了所需的四通道 5 kV rms 信号隔离、最高 25 Mbps 的工作速率以及集成式 DC/DC 转换器。ADuM6401 配合 ADM3065E（如图 2 所示）需将 VISO 引脚配置为 3.3 V，具体方法是将 VSEL 引脚连接到 GNDISO 引脚，并将 5V 电源连接到 VDD1 引脚。在 3.3V 电压下工作，即使数据速率达 25 Mbps，也可以确保 ADM3065E 仍保持在 ADuM6401 的负载能力范围内。

利用 ADuM241D 四通道数字隔离器和 ADuM6000 隔离式 DC/DC 转换器，可以实现 50 Mbps 数据速率以及 ADM3065E 隔离，如图 3 所示。ADuM241D 的数据速率最高可达 150 Mbps，能够提供完全支持 ADM3065E 以 50 Mbps 数据速率工作所需的精确时序。

不过，以 50 Mbps 数据速率工作的前提是使 ADM3065E 工作在 3.3 V 电压下。

如果需要在 5V 电压下工作，可以将 ADuM6000 上的 VSEL 引脚连接到 VISO，但支持的最大数据速率会降低（例如，<10 Mbps）。更多信息，请参考 ADuM241D 和 ADuM6000 数据手册。

ADuM6401 和 ADuM6000 isoPower 器件中的 DC/DC 转换器可为 ADM3065E（和 ADuM241D）提供稳压隔离电源。这两款 isoPower 器件利用高频开关元件，通过变压器传输功率。用户必须遵循辐射标准进行印刷电路板(PCB)布局。如需 PCB 布局建议，请参考 AN-0971 应用笔记。

图 2. 信号和电源隔离的 25 Mbps RS-485 解决方案（简化图，未显示全部连接）

图 3. 信号和电源隔离的 50 Mbps RS-485 解决方案（简化图，未显示全部连接）

隔离式低功耗 RS-485

图 4 显示了 ADuM1441 微功耗、四通道、数字隔离器和 ADM3483 低功耗、半双工 RS-485 收发器的组合。

当 ADM3483 处于关断模式（驱动器使能 DE 引脚为低电平且接收器使能引脚为高电平）时，静态电源电流通常仅为 2 nA（最大规范值为 1 μA）。如图 4 所示，ADuM1441 的引脚 7 和引脚 10 分别连接至 GND1 和 GND2。这意味着当 ADuM1441 隔离器处于无总线通信活动的关断模式时，其静态电流低于 23 µA。总体来说，该解决方案的静态功耗低至 24 µA 以下。

如果 ADuM1441 的引脚 7 和引脚 10 分别直接连接到 VDD1 和 VDD2，则 ADuM1441 的静态功耗仅 1.2 µA。这可以通过 PCB 上的跳线连接来实现，用户可以选择将引脚 7 连接到 VDD1 或 GND1，还可以选择将引脚 10 连接到 VDD2 或 GND2。将 ADuM1441 中的 1.2 μA 静态功耗特性添加到 ADM3483 静态电源中，可实现一个在关断或待机模式下仅消耗 2 μA 电流的完全隔离式 RS-485 节点。为了确保隔离器正常工作，ADuM1441 的引脚 7 和引脚 10 必须分别连接到 GND1 和 GND2。

图 4. 低功耗、隔离式 RS-485 节点

本文小结

RS-485总线标准是使用最广泛的物理层总线设计标准之一。以数字方式（ADI公司的iCoupler和isoPower）将RS-485与连接至总线的各系统隔离开来，可减少信号失真和误差，并防止系统和组件发生系统和总线电压和接地适配。并且通过不同隔离器和RS-485收发器型号的搭配，可轻松满足工业应用中高速率和低功耗的不同应用场景需求。

编辑：jq