RS485端口隔离及保护设计

RS485接口采用的是一种差分传输方式,各节点之间的通信都是通过一对(半双工)或两对(全双工)双绞线作为传输介质。由RS-485的标准规定,接收器的接收灵敏度为+200mV,即接收端的差分电压大于等于200mV时,接收器输出高电平;小于等于200mV时,接收器输出为低电平;介于±200mV之间,接收器输出不确定。RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗共模干扰能力增强,即抗噪声干扰性好。RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺,实际上可达 3000米。RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器,因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性,长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。因为RS485接口组成的半双工网络,一般只需二根连接线,所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。

1.485应用电路举例

选用485芯片时,需注意其ESD防护能力、驱动能力、对485总线差分信号的定义等。

SN65176和SN75176为例,该SN65176B和SN75176B差分总线收发器是为多结点总线的双向数据通信的集成电路而设计的。该SN65176B和SN75176B结合了三态差分线路驱动器和一个差分输入线接收器,两者都工作在5V单电源。驱动器和接收器分别具有高电平和低电平使能,连接在一起作为一个方向控制的外部功能。当驱动器禁用总线或VCC = 0,驱动器的差分输出和接收器差分输入连接在内部形成差分输入/输出(I/O)总线旨在提供最低装载量的端口。这些端口具有宽的正负共模电压范围,使该设备适合于串行线应用。

该驱动器是专为高达60mA的电流源设计的,该驱动器的特点是积极的负限流和热关断线路故障保护。热开关设计是发生在一个温度约为150°C。接收机特点是12 KΩ最小输入阻抗,一个200毫伏的输入灵敏度,输入端为50mV典型滞后输入。

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SN75176应用电路图所示,第一,A/B线需上拉/下拉,保证总线空闲时,A/B差分信号仍是确定状态,避免杂讯影响。上/下拉电阻取得小时,负载加重,会影响485总线上节点数量;而取得大,则会影响数据传输的波特率。一般在几K 到几十K 之间,具体还在看应用电路的需求。比如此电路中上/下拉取值为10K ,在实际带载测试(1200bps)时,485总线上只能挂十几个负载;而换成47K ,则可以挂到一百多个负载;但若要在9600bps下通信,则上/下拉要小一些才行。第二,对地TVS 用作ESD防护。第三,尽量不要以上/下拉电阻来驱动负载,最好单独用一路信号控制使能端(即P1.0),以充足发挥IC 的驱动能力。第四,因工业应用领域,485总路线上有可能同时接很多节点,此时A/B线对外输出电流会比较大,若485芯片前端供电电路输出不够,则差分电压不够而导致无法正常通信,因此要保证RS485输出能力足够。

2.485端口隔离及保护

  RS485端口的防护主要包括静电防护(ESD防护)、浪涌防护和雷击防护。雷击浪涌的最大特点是能量特别大,所以需要用专门的防护器件:瞬态抑制二极管、压敏电阻和气体放电管。如图所示为浪涌通过不同的抑制器件的电压波形。

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浪涌通过不同的抑制器件时的电压波形

运用这三种防护器件所做的RS485端口保护,如图所示。

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RS485端口保护示例图

ESD防护:以SN65176和SN75176为例,芯片本身有一定的ESD防护等级,而系统要求为8KV接触放电和15KV空气放电,此时就需要在A/B线间对地加TVS来保护芯片,即TVS1、TVS2、TVS3。注意TVS管尽量选用高速、低容值、大通流量的,启动电压和截止电压选取要恰当,以防止TVS误动作,而干扰485的正常通信(还要考虑到485总线上的共模电压部分)。

浪涌防护:以本电路为例,以两路PTC(压敏电阻)+TVS管形成回路,当有大的交流电压灌入时,PTC开始发热进而形成高阻,保护后续电路。压敏电阻(PTC)由金属氧化物(主要是氧化锌)材料组成,属箝位型器件,其特性与两只背对背联接的稳压管非常相似,有着毫微秒级的响应速度。压敏电阻对瞬变信号的吸收能力与其体积成正比:其厚度正比于电压;面积正比于电流。压敏电阻是目前在电子产品中使用最广泛的浪涌抑制器件。

雷击防护:工业级的DTU都要求产品有雷击防护,以本电路为例,在A、B线间对地加GDT和TVS来保护电路。在直流电路中气体放电管的标称电压选择为工作电压的1.8倍;在交流电路中选择为工作电压有效值的2.5倍。气体放电管标称电流容量应大于被保护电路的可能最大浪涌冲击容量。

其实ESD防护、浪涌防护和雷击防护,主要是靠合适的器件以及合理的PCB Layout来实现的。

3.485应用场景

485端口的产品已广泛应用于安防、监控、门禁、智能家居和工业控制等领域,例如成都亿佰特公司的无线数传E800系列DTU,其485端口都是做的工业级的隔离和防护,应用非常广泛。

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