實施隔離以進行通信

從工業控制系統到路邊的交通信息通告板，RS485網絡是各類應用進行通信的基礎。在高壓環境中，從人身安全和設備保護的角度出發，常常在通信總線到邏輯控制器之間進行電氣隔離。

隔離對系統性能的正面影響遠非保護其免受危險電壓那么簡單，但這點卻總是被人們忽略，事實上，隔離可以使通信在嚴重地擾動和其它系統級噪聲存在的情況下不間斷、無差錯。

目前市場上有不同廠商提供的隔離式RS485收發器。這些解決方案大多數提供數據隔離，不提供驅動總線接口所需的隔離電源。用戶只好自己設計解決方案，但這需要笨重、昂貴的分立組件以形成隔離的DC/DC轉換器。總體尺寸、成本、功耗或復雜性可能使設計師不敢在系統中使用隔離，而系統卻可能從隔離中真正受益。

凌力爾特公司新的隔離器微型模塊(?Module)技術采用小型11.25mm x 15mm x 2.8mm表面貼裝，提供一個完整的電源和數據隔離解決方案(圖1)。LTM2881包含一個可靠的隔離式RS485收發器和一個隔離式DC-DC 轉換器，能為總線接口電路和輔助電路提供高達1W的功率。這個微型模塊收發器不需要外部組件，甚至去耦電容器和一個可電通斷的網絡終止電阻器也是內置的。對于為每個通信節點的RS485網絡設計隔離來說，易于使用和小的占位面積使LTM2881比以往任何時候都更有吸引力。

圖 1: 凌力爾特公司新的隔離器微型模塊LTM2881。

本文將討論在RS485網絡中使用隔離帶來的性能好處，指出可能受益于隔離的網絡特性，解釋為了最大化隔離系統的性能，如何在各種配線配置中進行權衡。

地與共模電壓干擾

開發和標準化RS485，是為了在地電位差高達±7V的收發器之間實現通信。相對于任意節點的局部“地”，總線上的信號允許承擔-7V至+12V的電壓。這些地電位差由各種情況引起，包括大地地電位變化，或受負載影響的其它電路所共用的接地回路壓降。

在有些情況下，沒有直接聯系的瞬態事件可能導致遠超過±7V的地電位改變。這些情況有可能在接收數據中引入差錯，或者更糟，去損壞收發器及有關的系統電路。恰當使用一個諸如凌力爾特LTM2881的隔離式收發器，可擴大所允許的共模電壓范圍(差分信號線路相對于地的平均電壓)，并保護電路免受560V連續高壓或持續60秒的3750VDC引起的損壞。當網絡線路在建筑物之間經過時，間接的閃電沖擊是常見的引起嚴重電壓干擾的原因。瞬態電壓抑制器(TVS)常常用來吸收非常高的瞬態電壓，同時用隔離提供附加的保護。沒有隔離，單次電壓浪涌可能損壞一個網絡上的所有設備。

多次重復的地和信號干擾，可能源自對鄰近RS485總線配線的60Hz AC電源線的耦合，或者60Hz電流可能傳導到共用地或電源線中。計算機、打印機、熒光燈、變速馬達驅動器和其他的電子非線性負載也會將顯著的頻率諧波引入功率分配中線、接地線和通信網絡線。正如下面的內容將顯示的那樣，這些干擾可能在 RS485網絡中引起真實的數據差錯，而隔離可以減輕這個問題。

發送數據不被接受

面向非隔離和隔離網絡的RS485配線配置如圖2所示。為了方便起見，該圖顯示了點到點單向通信，但是其中的理念也適用于多節點網絡。圖2a顯示了一個用低成本5e類(Cat 5e)電纜實現的非隔離、無屏蔽雙絞線連接。圖3顯示，在驅動100英尺電纜并在驅動器和接收器之間引入一個地電位差時，在這個網絡上的多個點捕捉的示波器波形。波形的顏色對應于圖2中探頭位置的顏色。接收器輸出端的所有信號都相對于大地的地電位測量。

圖 2：RS485 配線配置

通道3(綠色)顯示在DI引腳進入發送驅動器的數據信號，而通道4(紅色)是來自遠端收發器RO引腳的數據輸出，這個輸出應該跟隨該數據輸入，只是有傳輸延遲。

圖3上部的黃色波形是在具有7V幅度(14VPP)的地電位之間引入的正弦波電壓信號。通道2(藍色)顯示穿過 100英尺電纜后在接收器負輸入端的“B”信號。疊加在大共模電壓信號上的“B”端數字數據與這個大共模電壓信號相比，幾乎察覺不到。

圖3顯示出了很明顯的差錯。有兩種因素導致數據丟失，這兩種因素都與RS485接收器的有限共模抑制能力有關。首先，共模信號的高頻分量(這里大約為1.2MHz)超過了大多數RS485接收器共模抑制的有效帶寬；其次，提供給接收器的共模信號的幅度遠超過允許的-7V至+12V范圍。在這種情況下，在100英尺導線末端的信號幅度將達到±20V的峰值，盡管在近端引入激勵的電壓峰值僅為±7V。這種幅度峰值在網絡配線的諧振頻率上被最大限度地提高了。請注意，這不涉及總線的差分特性，就像是一條傳輸線，但這是與共模阻抗有關的一種特性。諧振頻率是電纜長度、電纜配置(例如是繞成線圈的，還是直的)和所連接節點復阻抗的函數。有趣的是，由于頻率分量和幅度峰值，一個±7V的共模信號就能夠破壞RS485信號傳輸。

用LTM2881隔離式RS485收發器(圖2c)取代該RS485收發器，可以解決數據損壞問題，如圖4所示。在這種配置中，加到接收器輸入端的共模信號幾乎全部落在隔離勢壘上。與接收器隔離的地隨著接收器輸入的共模電壓變化，簡單的附著其上。結果，接收器不把這看作是一種共模變化，并繼續可靠地檢測差分數據。

請注意，在圖4中，共模頻率已經升高到2MHz，這導致在電纜末端進入接收器(藍色波形)的信號幅度顯著提高到40VPP。這個共模電壓幅度遠遠超出RS485標準中規定的性能規格，會給大多數非隔離式RS485收發器帶來考驗。通過改善配線，LTM2881隔離式收發器甚至可在更高的共模變化頻率上繼續工作，下面探討這個問題。

進一步的配線改進

之前的討論集中在具無屏蔽雙絞線總線配線的隔離式收發器和非隔離式收發器之間的差別。更好的配線選擇包括，采用屏蔽導線和一種將所有隔離的地節點連到一起的公共導線。以下討論采用這些方法的兩種配線配置。

圖2b顯示用諸如Belden 9841電纜等屏蔽雙絞線連接的非隔離網絡。屏蔽層應該只在一個點連接，以避免產生地環路。將屏蔽層連接到接收器地，可為提高系統性能提供最佳分流。在多節點、非隔離網絡中，主節點一般是屏蔽層連接點。屏蔽所起的作用是將耦合能量分流至地而不是信號線。對于縮小網絡不同節點上的驅動器和接收器之間的地電位差來說，屏蔽并不起任何作用。如下面討論的那樣，這個限制在隔離式網絡中被消除了。

圖2d說明了用于隔離式收發器的最佳配線選擇。采用一根普通導線將每個節點上的所有隔離地連接在一起。在某個點上將該公共接頭連接至非隔離地，以確立另外的未接地網絡的標稱電壓基準電平。這可防止總線浮動至超出隔離額定值的過高電壓。

這種配置可使RS485接收器發揮最佳性能，因為接收器的隔離地電位跟隨輸入信號的共模，并被吸收到隔離勢壘上。既然接收器地隨著信號變化，那么接收器就沒有抑制共模電壓瞬態的負擔了。跨隔離勢壘傳送數字編碼數據的電路承擔瞬態和共模抑制這個任務。在LTM2881中，數字隔離使用差分電感信號和編碼來傳送數據。LTM2881可以抑制高于30kV/us的瞬態轉換率，例如，勢壘電壓僅在27ns內就有800V變化，而不會丟失任何數據。

圖2d還顯示了一個單獨的屏蔽層，該屏蔽層在一個點連接到大地的地電位，以分流耦合的噪聲。不過，有些系統不會既選擇屏蔽層又選擇單獨的基準配線。在這種情況下，最佳選擇是將屏蔽層連接到每個隔離收發器的公共終端，然后再從一個點連接到大地的地電位。如果RF抗擾力仍然令人擔憂，那么利用從每個接收器公共端到地的高頻高壓電容器，就能夠從收發器分走能量。

需要隔離的網絡

顯然，隔離可以改善數據通信的可靠性。但是一個從隔離受益的正常運行的網絡有哪些特點？哪些證據可以證明給一個網絡產品增加隔離是正確的呢？

系統可能獲益的第一個跡象是在經常進行信息重發的時候。較高級的協議可以處理隨機誤差(由一個校驗和進行檢測)，并偶爾重新發送某個信息。較高級的協議也可能隨機丟失信息、超時和重新初始化。當然也可以“重啟”，但是會降低系統性能。信息重發和重新啟動經常發生時，系統響應就會變慢。節點將不會以預期的速度更新，編號靠后的地址或線路末端的節點可能很少更新，因為重新啟動經常將主控信號發回到序列中的第一個節點。在有現實環境干擾的現場，系統性能可能比在實驗室中進行系統測試和驗證時觀察到的要差。協議差錯檢驗和恢復應該只處理極少發生的事件。在正常工作情況下能看到通信差錯時，就要采用隔離。

其他有可能需要隔離的跡象是出現現場故障和早期產品退貨。退回的產品遭損壞或報告有通信故障嗎？潛在的現場故障和安裝時損壞的組件都要考慮。正確使用隔離可以保護收發器免受某些配線差錯的影響，否則這些配線差錯可能損壞標準收發器。當地的閃電風暴是否使故障增多？隔離的收發器提供額外的保護，以免受到電氣浪涌和高的地電位差影響。

另外還有一個跡象，即標準的(非隔離)RS485不夠可靠。某種類型的網絡節點有可能以不可預知的方式運作，而其他類型的節點也將一致做出響應。例如，不可預測的節點可能是大樓控制系統中的一個大型風扇控制器。相比之下，溫度、濕度和空氣流動傳感器節點則表現得符合規則。風扇電動機輻射電氣噪聲，并將高的諧波分量傳導到局部接地回路中。另外，風扇控制器常常在連接到有20個或更多節點的大型網絡時表現尤其不佳。節點較多的網絡有額外的菊花鏈配線連接，這在兩條差分數據線 A 和 B 上增加了電容，也增加了電容失衡。數據線上的電容失衡往往導致將共模信號轉換成錯誤的差分信號，從而引起通信差錯。這是風扇控制器在大型網絡上通信不好的情況舉例。具有一條公共基準導線的隔離通過吸收共模信號以減輕這個問題，因此防止通過電容失衡轉換成差分信號。

將隔離帶來的好處最大化

對任何網絡產品來來說，隔離都是一個可行的改進方法。一個隔離的通信接口可以減輕顯現的問題，使通信更可靠，并使網絡產品能夠承受極端條件。

圖5顯示了在一個半雙工網絡中，采用LTM2881隔離式RS485收發器的典型應用和配線。該電路證明，將一條基準導線或屏蔽層連接到每個隔離式收發器的公共點是一個好的嘗試。它應該在一個點連接到基準或地。如果還會使用一個單獨的屏蔽層，那么它應該連接到相同作為基準線的大地的地點。這條基準線強制所有收發器的公共點處于相同的電平，從而消除了接收器的共模信號。相比之下，屏蔽層只能在耦合的噪聲到達數據線之前將其分流掉。