RS485/422作為一種多節(jié)點(diǎn)、易組網(wǎng)的通訊接口,，被廣泛應(yīng)用于儀器儀表,、安防,、交通、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域中,。由于RS485/422的實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境都比較復(fù)雜，再加上操作人員接線方式或使用傳輸線纜的不正確,，經(jīng)常導(dǎo)致RS485/422在實(shí)際使用過程中都會(huì)受到比較大的干擾,，尤其是共模噪聲、接地電位差,、接線錯(cuò)誤和高壓瞬變,，如靜電放電 (ESD)、電快速瞬變 (EFT) 和雷電浪涌,，這些威脅可能干擾通信,，甚至導(dǎo)致永久性損壞。嚴(yán)苛的環(huán)境必然對(duì)器件的可靠性,，魯棒性提出了更高的要求,。
--icoupler隔離技術(shù)提高可靠性
RS-485/422差分通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常用于惡劣環(huán)境下的工業(yè)和儀器應(yīng)用中。這些網(wǎng)絡(luò)能在高達(dá)1200m的范圍內(nèi)進(jìn)行通信,。在惡劣環(huán)境下進(jìn)行長(zhǎng)距離通信時(shí),，可能出現(xiàn)以下問題：
a. 由于不同節(jié)點(diǎn)的地電位不同而引起接地環(huán)路電流干擾；
b. 電機(jī),、電感轉(zhuǎn)換負(fù)載和其他高噪聲電氣設(shè)備造成感應(yīng)接地噪聲,；
c. 有害電涌。
如果無法保證系統(tǒng)中不同節(jié)點(diǎn)的地電位不會(huì)超出收發(fā)器的共模范圍,，那么電流隔離不失為一種理想的解決方案,。電流隔離不阻止信息流，但阻止電流涌動(dòng),。通過電源隔離和內(nèi)部信號(hào)隔離可以避免此類故障發(fā)生,，使用隔離收發(fā)器后，可有效防止地環(huán)路形成,，總線參考地可以跟隨共模電壓的波動(dòng)而波動(dòng),，共模電壓全部由隔離帶承受，共模電壓對(duì)總線信號(hào)變得不再可見,，從而保證總線能夠穩(wěn)定可靠地通信,。
對(duì)于共模噪聲的抑制，以往很多方案采用光電隔離的方案,，但該方案存在體積大,、電路分離元件多,、電路復(fù)雜、系統(tǒng)不穩(wěn)定等缺點(diǎn),。ADI推出的單芯片RS485/422隔離器,，采用ADI獨(dú)有的icoupler磁隔離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在芯片內(nèi)通過變壓器進(jìn)行脈沖耦合調(diào)制,，這是與光耦合器中采用的發(fā)光二極管(LED)和光電二極管對(duì)比的不同之處,。與傳統(tǒng)的光電隔離器件相比，icoupler磁隔離器件消除了與光耦合器相關(guān)的不確定的電流傳送比率,、非線性傳送特性以及隨時(shí)間漂移和隨溫度漂移問題,；功耗降低了90％；無需外部驅(qū)動(dòng)器或分立器件,，尤其在體積與集成度方面更具有光電隔離無法比擬的優(yōu)勢(shì),。
圖1：ADM磁隔離原理
--不僅僅是隔離
除了隔離技術(shù)以外，惡劣的使用環(huán)境和高可靠性要求要求收發(fā)器必須具有更好的EMC抗干擾和保護(hù)功能,。
與ADI合作三十余年的技術(shù)分銷商——Excelpoint世健公司的應(yīng)用工程師Kayden Wang向我們介紹了ADI一款適合惡劣工業(yè)環(huán)境及高可靠性要求的RS485/422收發(fā)器——ADM2795E,。這是一款5 kV rms信號(hào)隔離RS-485/422收發(fā)器,，該器件集成ADI公司的iCoupler? 技術(shù),，將三通道隔離器,、RS-485收發(fā)器和符合IEC電磁兼容性(EMC)瞬變保護(hù)集成于單體封裝中,。具有±25 V的擴(kuò)展共模輸入范圍,，可提高高噪聲環(huán)境下的數(shù)據(jù)通信可靠性,。同時(shí)可選擇-55°C至+125°C的寬溫增強(qiáng)型號(hào),。
圖2：ADM2795E功能框圖
? 通過IEC認(rèn)證的EMC 性能
工業(yè)自動(dòng)化里的可編程邏輯控制器 (PLC)通信端口通常使用 RS-485 接口,，這些端口可能經(jīng)受較大的共模噪聲、接地電位差,、接線錯(cuò)誤和高壓瞬變,，如靜電放電 (ESD)、電快速瞬變 (EFT)和雷電浪涌（Surge）,。
ADM2795E可提供完整的系統(tǒng)級(jí)解決方案,，該方案符合IEC-61000浪涌,、EFT和ESD標(biāo)準(zhǔn),，以及對(duì)傳導(dǎo),、輻射和磁場(chǎng)干擾的抗擾度,，這些干擾在工業(yè)環(huán)境中很常見。隔離魯棒性和EMC保護(hù)的集成大幅節(jié)省了印刷電路板 (PCB)空間,，以供通信端口接口使用,。
ADM2795E的相關(guān)EMC 認(rèn)證性能：
?RS-485 A 和 B 總線引腳提供 4 級(jí) EMC 認(rèn)證保護(hù)
?IEC 61000-4-5 浪涌保護(hù) (±4 kV)
?IEC 61000-4-4 EFT 保護(hù) (±2 kV)
?IEC 61000-4-2 ESD 保護(hù)
?接觸放電：±8 kV
?氣隙放電：±15 kV
?IEC 61000-4-6 傳導(dǎo)射頻抗擾度 (10 V/m rms)
?經(jīng)認(rèn)證的 IEC 61000 隔離柵抗擾度
?IEC 61000-4-2 ESD,、IEC 61000-4-4 EFT、IEC 61000-4-5 浪涌,、IEC 61000-4-6 傳導(dǎo)射頻抗擾度,、IEC 61000-4-3 輻射抗擾度、IEC 61000-4-8 磁場(chǎng)抗擾度
圖3：ADM2795E的集成IEC 61000-4-5認(rèn)證浪涌解決方案,，為設(shè)計(jì)師顯著節(jié)省了PCB面積
IEC 61000-4-6 傳導(dǎo)射頻抗擾度,、IEC 61000-4-3 輻射抗擾度、IEC 61000-4-8 磁場(chǎng)抗擾度的通過更是保證了產(chǎn)品對(duì)日趨嚴(yán)格的電磁兼容的要求,。
? 通信接口卓越的防雷保護(hù)性能
防雷設(shè)計(jì)一直是一些工程師比較頭痛的地方,。使用旁路保護(hù)方法利用瞬態(tài)抑制元件（如TVS,、MOV,、氣體放電管等）將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地，優(yōu)點(diǎn)是成本較低,，缺點(diǎn)是保護(hù)能力有限,，只能保護(hù)一定能量以內(nèi)的瞬態(tài)干擾，持續(xù)時(shí)間不能很長(zhǎng),，而且需要有一條良好的連接大地的通道，實(shí)現(xiàn)起來比較困難,。并且一些針對(duì)防雷設(shè)計(jì)的TVS體積并不小,，價(jià)格也偏高,。ADM2795E-EP將隔離和內(nèi)部保護(hù)結(jié)合起來加以運(yùn)用。在這種方法中,，隔離接口對(duì)大幅度雷電干擾進(jìn)行隔離,，保護(hù)器件則保護(hù)隔離接口不被過高的瞬態(tài)電壓擊穿,。
一些高可靠性要求的電子設(shè)備中在使用過程中可能會(huì)遭受雷擊,，DO-160G標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)載設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn)程序》是通用航空電子硬件的環(huán)境測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),。許多飛機(jī)制造商將DO-160G第22節(jié)“雷擊感應(yīng)瞬態(tài)敏感性”指定為關(guān)鍵系統(tǒng)的要求。
? 相關(guān)電子設(shè)備防雷保護(hù)要求
DO-160G第22節(jié)防雷標(biāo)準(zhǔn)模擬了直接雷擊浪涌通過飛機(jī)機(jī)身產(chǎn)生的磁場(chǎng)在航空電子設(shè)備中引起的瞬態(tài)電壓和電流,。表1顯示對(duì)于波形3和波形4/波形1,，商業(yè)飛機(jī)通常需要DO-160G第22節(jié)的1級(jí)到4級(jí)防雷保護(hù),。飛機(jī)設(shè)備劃分為三類區(qū)域,，每類區(qū)域都有相關(guān)的電磁兼容性 (EMC) 環(huán)境,。最惡劣的EMC環(huán)境位于A類和B類區(qū)域,。
表1：DO-160G第22節(jié)針對(duì)商業(yè)飛機(jī)的典型防雷要求
ADM2795E-EP是ADM2795的增強(qiáng)型號(hào)，在高可靠性要求的惡劣應(yīng)用環(huán)境中工作時(shí)可減少系統(tǒng)故障,。ADM2795E-EP具有如下重要特性：
? 具有增強(qiáng)DO-160G EMC抗干擾的魯棒性,。
? 工作溫度范圍：?55°C至+125°C。
? 引線框：為減輕錫須問題,，ADM2795E-EP采用鎳/鈀/金 (NiPdAu) 引線框表面處理。
? 生產(chǎn)：通過單處理流程基線制造的增強(qiáng)產(chǎn)品,。
ADM2795E-EP在RS-485總線引腳上集成了經(jīng)過全面認(rèn)證的DO-160G EMC保護(hù)，可提供第22節(jié)所述的防雷保護(hù),。ADM2795E-EP還提供第25節(jié)所述的±15 kV靜電放電 (ESD) 氣隙放電保護(hù)。對(duì)于第22節(jié)的防雷要求,，ADM2795E-EP可防范波形3,、波形4/波形1和波形5A：對(duì)GND2的測(cè)試,，使用33 Ω或47 Ω限流電阻時(shí)可達(dá)到4級(jí)要求,；對(duì)GND1的測(cè)試,，隔離柵上可達(dá)到4級(jí)要求。DO-160G標(biāo)準(zhǔn)的波形形狀和上升/下降時(shí)間顯著長(zhǎng)于IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定,，如圖4所示。DO-160G第22節(jié)防雷標(biāo)準(zhǔn)涉及的能量非常高,，ADM2795E-EP 的可靠性設(shè)計(jì)保護(hù)器件免受這些極端瞬變影響,。
圖4：DO-160G第22節(jié)波形1和波形5A及IEC61000-4-5浪涌波形
? 故障過壓保護(hù)和±42 V 接線錯(cuò)誤保護(hù)
ADM2795E在 ±25 V 的整個(gè)擴(kuò)展共模工作范圍內(nèi)受故障保護(hù)。并且驅(qū)動(dòng)器輸出和接收器輸入受–42V至+42 VAC/DC 峰值范圍內(nèi)的任何電壓的短路保護(hù),。故障狀態(tài)中的最大電流為 ±250 mA,。RS-485 驅(qū)動(dòng)器包括折返限流電路,，該電路可減小電壓超出收發(fā)器的 ±25 V 共模范圍限制時(shí)的驅(qū)動(dòng)器電流,。折返特性引起的這一電流減少可實(shí)現(xiàn)更好的功耗和熱效應(yīng)管理,。
ADM2795E 在未安裝 RS-485 端接或總線偏置電阻的總線上運(yùn)行時(shí)將受到高壓接線錯(cuò)誤保護(hù)。典型的接線錯(cuò)誤為高壓24VAC/DC電源直接連接至 RS-485 總線引腳連接器,。ADM2795E 可在RS-485總線引腳上承受相對(duì)于GND2峰值高達(dá)±42V的接線錯(cuò)誤故障而不損壞,。在A和B總線引腳上確保接線錯(cuò)誤保護(hù),，且在連接器和總線引腳進(jìn)行熱插拔時(shí)確保該保護(hù),。
-支持案例
Kayden Wang在之前幫助世健客戶排除故障的過程中就遇到過類似問題?？蛻粼诋a(chǎn)品調(diào)試期間出現(xiàn)了RS485通訊故障和顯示屏黑屏現(xiàn)象。Kayden在和客戶一起排除故障的過程中，發(fā)現(xiàn)客戶使用的收發(fā)器是某品牌的非隔離RS485收發(fā)器,。
由于交聯(lián)的大功率器件在啟動(dòng)過程中，啟動(dòng)電流通過電纜上的分布電容及電感耦合產(chǎn)生的電壓傳導(dǎo)至產(chǎn)品內(nèi)部地線,，造成RS485總線與地線的瞬時(shí)電壓過高（此RS485收發(fā)器能夠承受共模電壓最大范圍（-7V～+12V），使收發(fā)器發(fā)送引腳與參考地?fù)舸┎⒍搪?，?dǎo)致RS485通訊失效,。
RS485收發(fā)器與產(chǎn)品微控制器通過同一組+3.3V電源供電,，電源正常范圍為2.7V～3.6V,，同時(shí)產(chǎn)品內(nèi)部27VDC與3.3V電源共地，當(dāng)功率器件斷開時(shí),，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓通過27VDC地線傳導(dǎo)至產(chǎn)品內(nèi)部地且收發(fā)器已損壞，導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部3.3V電源與地之間的壓差低于2.7V,，使微控制器短時(shí)復(fù)位,，并進(jìn)一步導(dǎo)致黑屏。
針對(duì)此故障現(xiàn)象,，結(jié)合客戶對(duì)EMC和防雷設(shè)計(jì)的要求,，Kayden推薦客戶使用ADM2795E+ADuM6028（隔離供電）的方案,。如圖5所示,，后經(jīng)對(duì)測(cè)試板的測(cè)試，對(duì)收發(fā)器的輸出引腳和地線施加共模脈沖,，幅值調(diào)整范圍為（-10V～+15V）,，用檢測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)產(chǎn)品內(nèi)部3.3V電源和輸出信號(hào)，產(chǎn)品通訊正常,，系統(tǒng)穩(wěn)定,。后續(xù)也順利通過各種EMC測(cè)試和防雷試驗(yàn)。該客戶的通訊端口可靠性得到大幅提高,。
圖5：2.5 Mbps,5 kV信號(hào)和電源隔離RS-485方案（±42V故障保護(hù)和Level4EMC保護(hù)）
ADM2795E集成化的完整的系統(tǒng)級(jí)解決方案可適應(yīng)各種惡劣環(huán)境,。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)案例證明，ADM2795E不僅可以提高RS485/422通訊的可靠性,，而且電路也十分簡(jiǎn)單,。
關(guān)于世健——亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商
世健是完整解決方案的供應(yīng)商，為亞洲電子廠商包括原設(shè)備生產(chǎn)商(OEM),、原設(shè)計(jì)生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務(wù)提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件,、工程設(shè)計(jì)及供應(yīng)鏈管理服務(wù)。
世健與供應(yīng)商及電子廠商緊密協(xié)作,，為新的科技與趨勢(shì)作出定位，并幫助客戶把這些最先進(jìn)的科技揉合于他們的產(chǎn)品當(dāng)中,。集團(tuán)分別在新加坡,、中國及越南設(shè)有研發(fā)中心，專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)造新的解決方案,，幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間,。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設(shè)計(jì)可應(yīng)用于工業(yè)、無線通信及消費(fèi)電子等領(lǐng)域,。
世健是新加坡的主板上市公司,，總部設(shè)于新加坡，擁有約750名員工,，業(yè)務(wù)范圍已擴(kuò)展至亞太區(qū)40多個(gè)城市和地區(qū),，遍及新加坡,、馬來西亞、泰國,、越南,、中國,、印度,、印度尼西亞,、菲律賓及澳大利亞等十多個(gè)國家,。世健集團(tuán)在2018年的年?duì)I業(yè)額超過12億5千萬美元,。世健于1993年開始發(fā)展中國業(yè)務(wù),，中國區(qū)總部設(shè)于香港，并擁有11個(gè)分公司及辦事處,、研發(fā)中心及物流中心,，業(yè)務(wù)遍及中國多個(gè)城市和地區(qū),。