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信號和電源隔離RS-485現場總線的高速或低功耗解決方案

2021-01-25 11:36:47 ADI公司，Richard Anslow

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簡介
ADI公司的iCoupler^®數字隔離器和RS-485收發器產品系列解決了工業應用中的兩大需求：更高的數據速率和更低功耗的工作模式。

對于高性能電機控制編碼器應用而言，通常需要更高的數據速率、更小的RS-485收發器封裝和IEC 61000-4-2 ESD保護。ADM3065E/ADM3066E 50 Mbps收發器采用節省空間的10引腳 LFCSP封裝，可提供±12 kV（接觸）和±12 kV（空氣）的IEC 61000-4-2 ESD保護功能，為 EnDat編碼器提供了一套可靠的解決方案（請參考AN-1397應用筆記了解更多信息）。此外，在ADM3065E/ADM3066E 中添加高速穩定的信號和功率隔離可以通過 isoPower® ADuM6401或 isoPower ADuM6000 及 iCoupler ADuM241D來實現，如本應用筆記中所述。

在電池供電系統、井下應用（例如，采礦）以及在4 mA至20 mA環路中工作的過程控制系統中，往往對低功耗工作模式具有較高需求。ADI公司生產的微功耗數字隔離器ADuM1441在關斷模式下的靜態功耗低于23 μA。ADM3483 3.3 V、250 kbps RS-485收發器的靜態功耗極低，關斷模式下通常僅2 nA。

圖1所示為適合井下應用穩定可靠的低功耗隔離式RS-485解決方案。ADM3483和ADuM1441共用可提供一條通往遠程地下測量節點的可靠低功耗鏈路。系統接口卡包括ARM® Cortex® 微控制器單元(MCU)、ADuCM3027和集成模擬前端(AFE)AD7124-4，用于遠程溫度和壓力測量。系統接口卡的固件更新通過遠距離RS-485電纜提供，更新后能夠在最長1 km的遠距離內實現低數據速率傳輸（例如，9.6 kbps）。

圖1.適合井下應用穩定可靠的低功耗隔離式RS-485解決方案

隔離式高速RS-485
利用iCoupler和isoPower技術，可以向ADM3065E中增添兼具加強絕緣和5 kV rms瞬態耐受電壓的電流隔離。ADuM6401提供了所需的四通道5 kV rms信號隔離、最高25 Mbps的工作速率以及集成式DC/DC轉換器。ADuM6401配合ADM3065E（如圖2所示）需將VISO引腳配置為3.3 V，具體方法是將VSEL引腳連接到GNDISO引腳，并將5V電源連接到VDD1引腳。在3.3V電壓下工作，即使數據速率達25 Mbps，也可以確保ADM3065E仍保持在ADuM6401的負載能力范圍內。

利用ADuM241D四通道數字隔離器和ADuM6000隔離式DC/DC轉換器，可以實現50 Mbps數據速率以及ADM3065E隔離，如圖3所示。ADuM241D的數據速率最高可達150 Mbps，能夠提供完全支持ADM3065E以50 Mbps數據速率工作所需的精確時序。

不過，以50 Mbps數據速率工作的前提是使ADM3065E工作在3.3 V電壓下。

如果需要在5V電壓下工作，可以將ADuM6000上的VSEL引腳連接到VISO，但支持的最大數據速率會降低（例如，<10 Mbps）。更多信息，請參考ADuM241D和ADuM6000數據手冊。

ADuM6401和ADuM6000 isoPower器件中的DC/DC轉換器可為ADM3065E（和ADuM241D）提供穩壓隔離電源。這兩款isoPower器件利用高頻開關元件，通過變壓器傳輸功率。用戶必須遵循輻射標準進行印刷電路板(PCB)布局。如需PCB布局建議，請參考AN-0971應用筆記。

圖2.信號和電源隔離的25 Mbps RS-485解決方案（簡化圖，未顯示全部連接）

圖3.信號和電源隔離的50 Mbps RS-485解決方案（簡化圖，未顯示全部連接）

隔離式低功耗RS-485
圖4顯示了ADuM1441微功耗、四通道、數字隔離器和ADM3483低功耗、半雙工RS-485收發器的組合。

當ADM3483處于關斷模式（驅動器使能DE引腳為低電平且接收器使能引腳為高電平）時，靜態電源電流通常僅為2 nA（最大規范值為1 μA）。如圖4所示，ADuM1441的引腳7和引腳10分別連接至GND1和GND2。這意味著當ADuM1441隔離器處于無總線通信活動的關斷模式時，其靜態電流低于23 µA。總體來說，該解決方案的靜態功耗低至24 µA以下。

如果ADuM1441的引腳7和引腳10分別直接連接到VDD1和VDD2，則ADuM1441的靜態功耗僅1.2 µA。這可以通過PCB上的跳線連接來實現，用戶可以選擇將引腳7連接到VDD1或GND1，還可以選擇將引腳10連接到VDD2或GND2。將ADuM1441中的1.2 μA靜態功耗特性添加到ADM3483靜態電源中，可實現一個在關斷或待機模式下僅消耗2 μA電流的完全隔離式RS-485節點。為了確保隔離器正常工作，ADuM1441的引腳7和引腳10必須分別連接到GND1和GND2。