隔離式 RS-485 收發(fā)器的內(nèi)部工作原理

隔離是一種防止電流在兩個(gè)通信點(diǎn)之間流動(dòng)，同時(shí)允許它們之間傳輸數(shù)據(jù)和電源信號(hào)的方法。隔離可防止高壓損壞敏感電子元件或傷害人體。它還消除了具有較大接地電位差的通信鏈路中的接地環(huán)路，以保持信號(hào)完整性。

在過去十年中，立法發(fā)生了變化，現(xiàn)在要求在惡劣環(huán)境中運(yùn)行的機(jī)器和設(shè)備對(duì)其數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實(shí)施隔離。因此，從傳統(tǒng)的單通道隔離系統(tǒng)轉(zhuǎn)向利用多通道隔離的應(yīng)用的趨勢(shì)導(dǎo)致引入了新的隔離組件。其中許多應(yīng)用涉及電信和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療系統(tǒng)、傳感器接口、電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及儀器儀表中的數(shù)據(jù)通信。

本文重點(diǎn)介紹符合 RS-485 的隔離式數(shù)字接口，RS-485 一直是業(yè)界數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕獦?biāo)準(zhǔn)。我們將概述 RS-485 的共模電壓范圍 (CMVR) 定義，并解釋將收發(fā)器的信號(hào)和電源路徑與本地控制器電路隔離如何使其能夠承受巨大的共模電壓。，我們將介紹一種基于巨磁阻 (GMR) 技術(shù)的新型 RS-485 隔離器，并討論其相對(duì)于其他隔離技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

共模電壓范圍

RS-485 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其共模電壓范圍為 ?7V 至 +12V。圖 1 顯示了這個(gè)范圍，包括驅(qū)動(dòng)器輸出共模電壓 (V OC )、驅(qū)動(dòng)器和接收器地之間的地電位差 (GPD) 以及縱向耦合噪聲 (V N )。

圖 1 非隔離 RS-485 數(shù)據(jù)鏈路中的V CM ：V CM = V OC + GPD + V N

該驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)用于在 V CM = V CC /2的共模分量周圍生成對(duì)稱的差分輸出 (V D ) ，從而使一個(gè)輸出的線路電壓 V A = V CC /2 ± V D /2和互補(bǔ)輸出端的電壓 V B = V CC /2 ? V D /2。

接收器設(shè)計(jì)為僅處理指定 CMVR 內(nèi)的差分信號(hào)，并抑制任何共模分量。這是通過一個(gè)內(nèi)部分壓器實(shí)現(xiàn)的，該分壓器對(duì)共模和差分信號(hào)進(jìn)行同等衰減（圖 2）。隨后的差分比較器隨后建立兩個(gè)衰減輸入信號(hào)之間的差異，從而僅放大差分分量。

由于分壓器代表每個(gè)接收器輸入和接收器接地之間的共模電阻 (R CM )，因此數(shù)據(jù)鏈路的整個(gè)共模電壓在這些電阻上下降。這意味著對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)器，接收器必須在 ?7V 至 +12V 的整個(gè) CMVR 范圍內(nèi)正確檢測(cè)差分輸入電壓。

為了承受更高的共模電壓 (V CM )，例如 ±25V，收發(fā)器總線 I/O 級(jí)經(jīng)過重新設(shè)計(jì)，使得驅(qū)動(dòng)器輸出晶體管具有更高的關(guān)斷電壓，并且接收器分壓器具有更高的分壓比，這可以也需要更高的電阻值。

對(duì)于非常高的共模電壓（數(shù)百伏），需要插入電流隔離柵，以消除收發(fā)器總線端子處的高壓。

圖 2接收器等效電路圖 (a)、其共模表示 (b) 和進(jìn)一步簡(jiǎn)化的 V CM 等效 (c)