Внутри изолированного приемопередатчика RS-485

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2017

Изоляция служит средством предотвращения протекания тока между двумя точками обмена информацией, не создающим препятствий для передачи сигналов данных и питания. Она не позволяет высоким напряжениям повредить чувствительные электронные компоненты или причинить вред человеку. Изоляция поддерживает целостность сигналов, исключая появление контуров в цепях заземления линий связи с большими разностями потенциалов между землями.

Изменившееся за последнее десятилетие законодательство теперь требует, чтобы в системах передачи данных оборудования и машин, работающих в жестких условиях эксплуатации, использовалась изоляция. Это потребовало замены устаревших одноканальных изолированных систем приложениями с многоканальной изоляцией на основе новых компонентов. Многие из этих приложений связаны с обменом данными в телекоммуникационных и промышленных сетях, медицинском оборудовании, интерфейсах датчиков, устройствах управления двигателями и приводами, а также в контрольно-измерительных приборах.

В этой статье основное внимание уделено изолированному цифровому интерфейсу RS-485, до сих пор остающемуся промышленным стандартом для передачи данных. Будет представлен обзор методов определения диапазона синфазных напряжений (common-mode voltage range – CMVR) и способов изоляции сигнальных и питающих цепей приемопередатчика от схемы локального контроллера, обеспечивающих защиту от высоких синфазных напряжений. В конце статьи будет представлен новый изолятор интерфейса RS-485, основанный на технологии гигантского магнетосопротивления (giant magnetoresistance – GMR – ГМС), и рассмотрены ее преимущества в сравнении с другими технологиями изоляции.

Диапазон синфазных напряжений

Стандартом RS-485 диапазон синфазного напряжения (V_CM) определен в пределах от –7 В до +12 В. Рисунок 1 показывает, что это напряжение является суммой синфазного выходного напряжения драйвера передатчика V_OC, разности потенциалов между точками заземления приемника и передатчика (GPD) и напряжения шума V_N, возникающего на длине линии.

Рисунок 1.	Синфазное напряжение VCM в неизолированном канале RS-485: VCM = VOC + GPD + VN.

Драйвер передатчика формирует симметричный дифференциальный выходной сигнал V_D относительно синфазной составляющей, равной

при этом напряжение на одном из выходов линии равно

а на комплементарном ему выходе

Приемник обрабатывает только дифференциальную составляющую сигнала в пределах CMVR, удаляя любые синфазные компоненты. Это достигается с помощью внутреннего делителя напряжения, одинаково ослабляющего синфазный и дифференциальный сигналы (Рисунок 2). Затем последующий дифференциальный компаратор формирует разность двух ослабленных входных сигналов, тем самым, усиливая только дифференциальную составляющую.

а) б) в)
Рисунок 2.	Эквивалентная схема входной цепи приемника (а), ее упрощенное представление для синфазных сигналов (б) и дальнейшее упрощение для VCM (в).

Поскольку делители напряжения эквивалентны синфазным сопротивлениям (R_CM), подключенным между каждым входом и землей приемника, на них падает все синфазное напряжение, поступающее с линии передачи данных. Это означает, что приемник стандартного приемопередатчика должен правильно детектировать дифференциальные входные напряжения во всем диапазоне CMVR от –7 В до +12 В.

Для противодействия более высоким синфазным напряжениям V_CM, например, ±25 В, каскады ввода/вывода приемопередатчика модифицируются таким образом, чтобы транзисторы выходного драйвера имели бóльшие пробивные напряжения, а входные напряжения приемника ослаблялись высокоомными делителями с более высокими коэффициентами деления.

Для очень высоких синфазных напряжений (в сотни вольт) необходимо введение гальванических барьеров, устраняющих высокие напряжения на клеммах приемопередающей шины.

Расширение CMVR с помощью изоляции

На Рисунке 3 показан пример изолированной линии передачи данных, в которой изоляция реализована только между приемником и локальным контроллером. Правильно выполненная гальваническая развязка должна включать как питающие, так и информационные линии. Изоляция питающих цепей обеспечивается с помощью изолированного DC/DC преобразователя, передающего энергию из привязанных к земле шин микроконтроллера (МК) V_CC2 и GND₂ в изолированные шины приемопередатчика V_CC2-ISO и GND_2-ISO с плавающим потенциалом.

Рисунок 3.	Синфазное напряжение VCM в изолированном канале RS-485.

Для изоляции цепей передачи данных используется цифровой изолятор сигналов (ISO). Со стороны кабеля узлы изолятора питаются от шин V_CC2-ISO и GND_2-ISO, а со стороны контроллера – от V_CC2 и GND₂.

Поскольку ток всегда возвращается к своему источнику, какое-либо взаимодействие между изолированными шинами питания приемника и неизолированными шинами питания драйвера в этой схеме отсутствует.

Из Рисунка 3 хорошо видно, что разность потенциалов GPD находится в пределах между GND₁ и GND₂, как и синфазное напряжение между сигнальными проводами и GND₂. Однако изолирующий барьер отделяет общий провод приемника от GND₂, превращая его в проводник с плавающим потенциалом (GND_2-ISO).

Эта ситуация поясняется Рисунком 4, на котором приведена эквивалентная схема изолированного приемного узла для синфазных напряжений. В связи с тем, что огромное сопротивление изолирующего барьера (R_ISO = 10¹⁴ Ом) соединено последовательно с намного меньшим синфазным сопротивлением (R_CM = 10⁵ Ом), все напряжение V_CM падает на сопротивлении R_ISO, не оказывая влияния на приемник (V_Rcm = 0 В). Кроме того, поскольку потенциал GND_2-ISO отслеживает входное напряжение, не нужно беспокоиться о том, что напряжение на входе приемника относительно его общего провода превысит допустимое значение. Ввиду того, что потенциал V_CC2-ISO также привязан к GND_2-ISO, изолированный приемник будет обеспечен надлежащим питанием, независимо от уровня синфазного напряжения.

Рисунок 4.	Эквивалентная схема изолированного приемного узла. Напряжение VCM падает на сопротивлении RISO.

Обратите внимание, что на Рисунках 3 и 4 изоляция показана только для приемного канала (Rx), однако изолированный узел RS-485 требует четырех каналов (Рисунок 5) для сигналов приема и передачи данных, а также для управления передатчиком и приемником.

Рисунок 5.	Изолированный приемопередатчик RS-485.

При двухточечном соединении для предотвращения возникновения паразитных земляных контуров достаточно изолировать только один из узлов, оставив другой узел неизолированным. Однако в многоточечных системах передачи данных обычно изолируют каждый узел, чтобы иметь возможность многократного использования его схемы и упростить производство печатных плат. Пример изолированной многоточечной шины показан на Рисунке 6.

Рисунок 6.	Изолированная многоточечная шина.

В современных изоляторах RS-485 функции приемопередатчика и изоляции объединены на одном кристалле, что позволяет экономить огромное пространство при разработке приемопередающих узлов. В изоляторе ISL32704E на Рисунке 7 использована технология ГМС, благодаря которой появилась возможность создать устройство с минимальными размерами, но с максимально надежными изолирующим структурами.

Рисунок 7.	Самый миниатюрный в мире 2.5-киловольтовый изолятор RS-485 со скоростью передачи данных 4 Мбит/с.

Например, за счет оптимизации топологии и методов проектирования удалось изготовить показанный на Рисунке 7 изолятор в корпусе QSOP размером 4 мм × 5 мм с колоссальной электрической прочностью 600 В и сроком службы барьера 44,000 лет. Это на 50% больше рабочего напряжения 400 В конкурирующих технологий, обеспечивающих функциональною изоляцию 2.5 кВ. Кроме того, устройство внесено в список компонентов, разрешенных UL, и сертифицировано международной электротехнической комиссией по стандарту VDE.

Работа изолятора ГМС иллюстрируется Рисунком 8. Буферизованный входной сигнал подается на входную катушку, которая создает магнитное поле, изменяющее сопротивления ГМС резисторов GMR1– GMR4. Эти резисторы образуют мост Уитстона, выходное напряжение которого определяется только изменениями магнитного поля входной катушки. При этом сильные внешние магнитные поля воспринимаются как синфазные, и поэтому подавляются конфигурацией моста. К выходу моста подключен компаратор, выходное напряжение которого по фазе и форме идентично входному сигналу.

Рисунок 8.	Одноканальный ГМС изолятор.

Принцип действия ГМС резистора поясняется Рисунком 9. Резистор состоит из слоев B1 и B2, выполненных из ферромагнитного сплава, между которыми расположен ультратонкий немагнитный проводящий слой А, обычно изготовляемый из меди. Структура ГМС такова, что в отсутствие магнитного поля магнитные моменты B1 и B2 имеют противоположные направления, что вызывает сильное рассеяние электронов в поперечном направлении слоя А, резко увеличивающее его сопротивление протеканию тока I. При воздействии магнитного поля H магнитные моменты B1 и B2 выравниваются, и рассеяние электронов уменьшается, в результате чего снижается сопротивление слоя А и увеличивается ток через резистор.

Рисунок 9.	Многослойный ГМС резистор.

В отличие от емкостных и индуктивных изоляторов, требующих высокочастотной несущей или широтно-импульсной модуляции для передачи через барьер постоянного тока и низкочастотных сигналов, изоляторам ГМС такие причудливые схемы кодирования не нужны. Кроме того, им не требуются мощные прожорливые катушки или трансформаторы, поскольку передача сигнала практически не требует энергии. Все это не только значительно снижает потребление тока (Таблица 1), но также сводит к ничтожному уровню собственные излучения (Рисунок 10). Кроме того, из-за отсутствия импульсных последовательностей или радиочастотных несущих изоляторы ГМС имеют очень низкую чувствительность к электромагнитным помехам.

Таблица 1.	Зависимость потребляемого тока от скорости обмена
Скорость обмена [Мбит/с] IDD1 [мА] IDD2 [мА] 1 0.15 0.15 4 0.6 0.6

Рисунок 10.	Необнаружимый уровень излучений ГМС изолятора.

Заключение

ГМС – это не просто еще одна технология изоляции, а скорее технология изоляции высокоскоростных и сверхскоростных систем передачи данных. Происходящая практически без потерь передача энергии в сочетании с крошечными размерами обеспечивает субнаносекундные времена прохождения барьера. Наносекундные задержки распространения, указанные в техническом описании ISL32704E, вносятся главным образом буфером ввода-вывода и приемопередатчиком.

ГМС изоляторы не заменят оптроны в приложениях со скоростью обмена от 0 бит/с до 1 Мбит/с, но обеспечат дополнительную изоляцию в области высоких и сверхвысоких частот. Тот факт, что изоляторы ГМС являются единственными изоляторами, невосприимчивыми к однократной и общей дозам ионизирующего облучения, делает эту прекрасную технологию применимой в космических и военных приложениях.

Материалы по теме