Opcje izolowania sygnału i zasilania na węzłach RS-485

Opcje izolowania sygnału i zasilania węzłach RS-485

Izolowanie sygnału i zasilania w węzłach RS-485 może stanowić wyzwanie projektowe pod względem spełnienia wszystkich wymagań systemowych, takie jak niewielki rozmiar, mniejsze rozpraszanie mocy, szybkość transmisji danych, EMI i koszty BOM.

Stosowanie tradycyjnych rozwiązań dyskretnych, takich jak transoptory, ze względu na nieprzezwyciężalne, fizyczne cechy tej technologii, wiąże się z powszechnie znanymi problemami, związanymi pogarszaniem się ich właściwości wraz czasem użytkowania oraz wysoką izolacją mocy na kanał. Ponadto, wraz ze wzrostem szybkości transmisji danych, wzrasta też koszt ich stosowania, a wraz ze wzrostem liczby komponentów, rośnie też złożoność produkcji. Z kolei stosowanie dyskretnych izolowanych przetwornic DC-DC wymaga dobrej znajomości konstrukcji transformatora, umiejętnie dopasowując cechy pozostałych komponentów peryferyjnych konwertera DC-DC do parametrów transformatora. Konstrukcja taka jest podatna na opór pasożytniczy, indukcyjność i pojemność związaną z elementami peryferyjnymi. Jednak istnieje też nowy rodzaj wysoce zintegrowanych, izolowanych rozwiązań nadawczo-odbiorczych, które rozwiązują te wyzwania projektowe.

W ciągu ostatnich siedmiu lat Analog Devices opracował szereg innowacyjnych, zintegrowanych, izolowanych transceiverów RS-485, które łączą osiągnięcia ADI na polu technologii interfejsu RS-485 z technologią cyfrowej izolacji sygnału ADI iCoupler, a ostatnio także z technologią izolowanego złącza DC-to-ADI isoPower. Opisywane izolowane układy nadawczo-odbiorcze zostały zaprojektowane do użytku w szerokiej gamie wymagających zastosowań, takich jak automatyka przemysłowa, energetyka słoneczna i wiatrowa, oprzyrządowanie czy monitorowanie linii energetycznych. Przykładami niektórych przemysłowych protokołów komunikacyjnych wykorzystujących te rodziny produktów są PROFIBUS, Interbus, Modbus, BacNet itp.

Rodzina zintegrowanych, izolowanych transceiverów RS-485/RS-422 oferuje projektantom optymalny wybór opcji zintegrowanej izolacji w oparciu o podział systemu w łańcuchu zasilania, w szczególności izolowanie zasilania po stronie magistrali. Oferta ADI zasadniczo obejmuje trzy kategorie izolowania zasilania na węzłach RS-485:

• Całkowicie zintegrowane rozwiązanie RS-485/RS-422 z izolacją sygnału i zasilania
• Zintegrowana izolacja sygnału i zintegrowany sterownik transformatora (częściowa integracja łańcucha zasilania)
• Izolowane transceivery RS-485/RS-422 X Signal, które pozwalają na elastyczność wyboru źródła zasilania napięciowego po stronie magistrali

Rysunek 1 przedstawia kompaktową konfigurację ADM2867E od Analog Devices, która stanowi zintegrowany transceiver RS-485 z izolacją sygnału i zasilania. Wysoki poziom integracji jest możliwy dzięki technologiom izolacji iCoupler i isoPower od firmy ADI, które połączono, aby poprawić łatwość użytkowania, utrzymać niewielkie rozmiary i niższą moc wejściową dla zadanych obciążeń RS-485 w porównaniu z bardziej tradycyjnymi rozwiązaniami podejściami.

Transceivery RS-485 z izolacją sygnału i zasilania ADM2867E/ADM2582E są dostępne w 20-przewodowej obudowie korpus SOIC, która stanowi najmniejsze dostępne obecnie rozwiązanie w branży. Ponadto, są to również pierwsze w branży transceivery RS-485/RS-422 z izolacją sygnału i zasilania, zapewniające tak wysoce zintegrowane rozwiązanie, kompatybilne z wymaganiami wielkoseryjnej

produkcji SMT. Opcja oferowana przez ADI skraca również czas projektowania układu.

W 2007 roku ADI wypuściło na rynek pierwszy zgodny z PROFIBUS, izolowany sygnałowo transceiver RS-485 ze zintegrowanym sterownikiem transformatora, ADM2485, upakowany w 16-przewodowej obudowie SOIC. ADM2485 jest jednym z trzech izolowanych transceiverów RS-485, które ADI oferuje ze zintegrowanym sterownikiem transformatora. Rysunek 2 ilustruje moduł ADM2485, zasilający pierwotną stronę transformatora w celu dostarczenia izolowanego zasilania do obwodów po stronie magistrali.

Rysunek 2:  Izolacja RS-485/RS-422 z zasilaniem.

Rysunek 3. Izolacja RS-485/RS-422 z zasilaniem i możliwością zewnętrznego włączenia/wyłączenia.

Konfiguracja pokazana na rysunku 2 zapewnia wysoką sprawność, wynoszącą zwykle 81% dla zasilania o napięciu wejściowym 5 V, nawet w przypadku projektów z poważnymi ograniczeniami temperaturowymi. Zewnętrzny transformator pozwala na pracę konwertera DC-DC z częstotliwością 500 kHz, co zapewnia niski poziom emisji EMI. Kluczowe wybory pomiędzy konfiguracjami pokazanymi na Rysunkach 1 i 2 to bardziej kompaktowy rozmiar i łatwość implementacji, w porównaniu z wyższą wydajnością i niższą emisją.

W typowych projektach programowalnych sterowników logicznych, wymaga się zaprojektowania izolowanych źródeł zasilania dla wielu wejść/wyjść a także portów komunikacyjnych. Prowadzi to do wymogu generowania wielu izolowanych ścieżek zasilania (±15V, 5V i 3,3V) z tego samego rdzenia transformatora. Optymalnym pod względem kosztów wyborem w tej sytuacji jest wybór izolowanego, zgodnego z PROFIBUS transceivera RS-485, mającego jedynie zintegrowaną izolację sygnału, takiego jak omawiany ADM2486. Zapewnia to elastyczność wyboru predefiniowanego izolowanego zasilania 5V lub 3,3V lub zastosowania oddzielnego uzwojenia na transformatorze w celu wygenerowania wymaganego, izolowanego napięcia po stronie magistrali. Rysunek 3 przedstawia uproszczony schemat dyskretnego konwertera DC-DC, ilustrujący w jaki sposób taka konfiguracja działa z transceiverem ADM2486.

Rodzina izolowanych transceiverów RS-485/RS-422 firmy ADI oferuje również różne szybkości transmisji danych do 20 Mb/s, obsługując do 256 węzłów na magistrali oraz pracę w trybie półdupleksowym i pełnodupleksowym. Dodatkowo, te zintegrowane transceivery RS-485 są w pełni certyfikowane zgodnie z UL i VDE (certyfikat CSA dostępny jest na żądanie). Są w 100% testowane w produkcji do 6800 V rms w zależności od produktów izolacyjnych.

Transformatory w technologii iCoupler są produkowane seryjnie od 2001 roku. iCoupler ma żywotność ponad 50 lat, co pozwala na uniknięcie kłopotów związanych z ograniczoną żywotnością, będącą wyzwaniem alternatywnej technologii transoptorów.

Autor: Keith Bennett

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firm Arrow oraz Analog Devices