本應(yīng)用筆記描述了MAX3157 RS-485收發(fā)器具有±50V隔離和跨越隔離柵的內(nèi)部功率傳輸?shù)墓δ?。描述了共?a target="_blank">信號，并描述了平衡有線通信電路中CMR電壓的來源。建議使用電纜接地約定，并繪制接地電位差與頻率的限值。

本應(yīng)用筆記定義了共模信號和共模抑制（CMR），描述了高共模收發(fā)器如何能夠處理±50V接地失調(diào)信號，并說明了使用屏蔽或非屏蔽數(shù)據(jù)傳輸線如何影響失調(diào)電壓和頻率的限制。解釋了一種跨越隔離柵傳輸功率的方法，并討論了故障安全和保護(hù)電路。

應(yīng)用使用MAX3157高共模抑制RS-485收發(fā)器。該器件為線路側(cè)收發(fā)器電路提供±50V隔離數(shù)據(jù)接口和電源。與光隔離或變壓器隔離RS-485收發(fā)器不同，其主要特點是低成本、在單個小型IC封裝中允許的±50V電阻隔離特性，以及從非隔離側(cè)到隔離側(cè)電路的容性功率傳輸。它采用+5V單電源供電，僅需<>個小型外部電容即可工作。與其他需要光耦合器和/或變壓器的隔離技術(shù)相比，總體保持低調(diào)。

偽隔離式RS-485收發(fā)器

圖1所示為MAX3157的隔離、功率傳輸和保護(hù)電路。

圖1.MAX3157功能框圖

共模定義

共模電壓（VCM） 當(dāng)與兩線傳輸電纜相關(guān)時，取兩個信號電壓相對于本地接地的平均值。這可以用數(shù)學(xué)方式表示為

該定義如圖2所示，其中3V差模信號位于2.5V共模信號上。失調(diào)是采用單電源工作的差模發(fā)送器的典型失調(diào)。

圖2.典型RS-485發(fā)送器的共模直流失調(diào)電壓表示。

由于RS-485電纜可能很長，因此源信號公共或接地可能與接收位置接地的電勢不同。The RS-4851規(guī)范要求直接或通過100Ω電阻將公共驅(qū)動電路連接到框架接地。因此，可能存在圖3中以圖形方式說明的情況。ISO COM將采用的共模電壓等于地電位差、驅(qū)動器失調(diào)電壓以及沿發(fā)射器和接收器之間的信號路徑產(chǎn)生的任何縱向耦合噪聲電壓的矢量和。

圖3.雙線制數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的共模電壓。

接收位置的地電位可能與驅(qū)動器位置的電位有很大差異，這是兩者之間的差異（VCM），這是考慮MAX3157應(yīng)用時所關(guān)注的。這個VCM必須與MAX3157的邏輯側(cè)隔離。

高CMR收發(fā)器的工作原理

高CMR數(shù)據(jù)收發(fā)器沒有真正隔離的電路。相反，它們使用高值電阻衰減器將邏輯側(cè)電路與線側(cè)電路分開，如圖4所示。這些衰減器通常構(gòu)造為只有1%的輸入信號到達(dá)衰減器輸出。因此，只有1%的外加隔離電壓到達(dá)電阻柵。單獨(dú)的驅(qū)動器在屏障兩側(cè)的比較器檢測到數(shù)據(jù)之前，將數(shù)據(jù)沿每個方向在衰減的每個方向發(fā)送。

每側(cè)也產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，并以相同的100：1衰減穿過柵線發(fā)送，以偏置接收比較器，然后在信號和參考線上看到相同的CM電壓。當(dāng)比較器同時讀取衰減信號和衰減基準(zhǔn)電壓源時，線路上出現(xiàn)的50V共模電壓只會轉(zhuǎn)換為電阻柵輸出端的1/2V共模電壓。只要差分接收器能夠接受1/2V CM電壓，并且足夠靈敏，可以檢測電阻衰減器輸入的差分信號的1/100，系統(tǒng)就可以正常工作。

因此，創(chuàng)建了一個完整的雙向信號系統(tǒng)，所有信號的勢壘衰減為100：1，以允許雙向通信和電阻柵上50V的差值。這是一個偽隔離電路，而不是經(jīng)典的隔離電路，但它可以實現(xiàn)大多數(shù)應(yīng)用所需的隔離。

請注意，由于存在八對隔離電阻，ISO COM和系統(tǒng)GND之間存在電阻（見圖1）。這八個衰減器的并聯(lián)電阻約為54kΩ。這些電阻的影響將在后面的章節(jié)中討論。

圖4.電阻隔離技術(shù)。

跨越隔離柵的功率傳輸

除非有單獨(dú)的隔離電源來操作RS-485收發(fā)器，否則電源必須從系統(tǒng)或非隔離側(cè)傳輸?shù)骄€路或隔離側(cè)電路，而不會破壞所需的隔離。當(dāng)計劃的隔離不超過50-100V時，在隔離柵上使用電容電壓傳輸是一個實際問題?？梢愿綦x更高的電壓;但是所需的電容器在500V時會變大一些。容性功率傳輸可以通過從系統(tǒng)側(cè)的方波振蕩器差分驅(qū)動一對電容來實現(xiàn)，如圖5所示。外部電容器在隔離側(cè)饋送三個二極管和一個濾波電容器，以產(chǎn)生隔離式直流輸出。存在第三個二極管，允許耦合電容在振蕩器信號的交替半周期上充電/放電。選擇耦合電容電壓額定值大于所需的線路側(cè)隔離或CM電壓。

圖5.電容耦合隔離電源。

隔離式電源傳輸系統(tǒng)的工作方式有點像眾所周知的電荷泵。方波振蕩器在交替的半個工作周期內(nèi)反轉(zhuǎn)其輸出極性（0或+5V）。輸出始終為方波（50%占空比），但（MAX3157中）當(dāng)ISO V時，輸出電阻隨指令增加抄送達(dá)到其設(shè)計電壓。因此，它可以向隔離電源提供正?；驕p少的功率傳輸。

當(dāng)線路側(cè)負(fù)載降低C上的電壓時外，反饋信號將再次使振蕩器更有效地補(bǔ)充C上的電荷外.因此，輸出電壓處于有源調(diào)節(jié)狀態(tài)，根據(jù)實際負(fù)載，在紋波頻率下輸出上會產(chǎn)生一些紋波。輸出側(cè)的齊納二極管充當(dāng)基準(zhǔn)電壓源，與輸出的一小部分進(jìn)行比較，以驅(qū)動控制信號，該信號通過隔離柵發(fā)送回振蕩器。

電荷泵將噪聲電流注入ISO COM端子，以便在ISO COM未連接到系統(tǒng)GND時在ISO COM上產(chǎn)生噪聲電壓。 因此，為了正常工作，應(yīng)使用 10nF 電容器將 ISO COM 旁路到系統(tǒng) GND（C.ISO在圖 5 中）。

當(dāng)ISO COM從圖3所示的源頭獲取電壓時，由于A和B信號輸入與ISO COM之間的電阻以及衰減器隔離電阻的≈54kΩ，將產(chǎn)生分壓器效應(yīng)。然后，ISO COM處的電壓將略小于e的實際矢量和1+E+e2如圖 3 所示。

跨越隔離柵的控制和數(shù)據(jù)傳輸（參見圖1）

隔離由上述電阻隔離技術(shù)提供。請注意，數(shù)據(jù)輸入（DI）和驅(qū)動器使能（DE）信號從左到右或從邏輯側(cè)到線路側(cè)穿過隔離柵，作為以邏輯側(cè)基準(zhǔn)電壓為基準(zhǔn)的信號。接收的數(shù)據(jù)（RO）信號從右到左或從線路側(cè)到邏輯側(cè)穿過隔離柵，作為參考線路側(cè)基準(zhǔn)電壓的信號。所有信號（包括基準(zhǔn)電壓源）在越過隔離柵后衰減了相同的1/101或0.99%。每個衰減數(shù)據(jù)或控制信號施加到一個比較器輸入，相關(guān)的衰減基準(zhǔn)電壓施加到另一個比較器輸入?；鶞?zhǔn)電壓設(shè)計為介于數(shù)據(jù)和控制信號的高電平和低電平之間，以便每個比較器以最大靈敏度工作。

第四個信號從右到左穿過隔離柵。這是一個控制信號，用于通知邏輯側(cè)電路隔離電源電壓處于其設(shè)計電平。該反饋控制信號通過要求邏輯側(cè)方波振蕩器增加其輸出電阻來穩(wěn)定隔離電源電壓。當(dāng)振蕩器輸出方波時，高電阻模式有效地降低了傳輸?shù)礁綦x電源的功率。

由于該電路設(shè)計允許高達(dá)±50V的隔離電壓，因此跨越柵傳輸?shù)淖畲笏p最大共模電壓小于±1/2V。

共模隔離電壓限值

MAX3157的隔離電壓限值由兩個特性決定。

電荷泵隔離電壓限值由電容器C的擊穿額定值設(shè)定1和 C2.

數(shù)據(jù)傳輸電路隔離電壓限值由電阻衰減器比、驅(qū)動器信號電平（與非隔離和隔離電源電壓相關(guān)）、差分比較器共模范圍和存在噪聲時的比較器信號辨別特性共同設(shè)定。MAX3157的額定限值為±50V，絕對最大額定值為±5V。當(dāng)超過限值時，邏輯電路和線路電路之間的內(nèi)部背靠背SCR將發(fā)生故障。

ISO COM上的電壓變化率對電荷泵送作用不重要，因為即使在D1/D2或C1/C2的不平衡電容的情況下，ISO VCC基本上不受ISO COM電壓的快速變化的影響。ISO COM上的快速脈沖只會在ISO VCC相對于ISO COM的幅度中得到不顯著的反映。然而，如以下章節(jié)所示，遠(yuǎn)程接地電壓相對于ISO COM變化的幅度和速率存在限制。

線路接口驅(qū)動器和接收器電路

對于半雙工兩線RS-485傳輸，內(nèi)部接收器開關(guān)設(shè)置如圖所示;一條 2 線線連接到端子 Y 和 Z.傳輸和接收在單線上以共享方式進(jìn)行。對于全雙工四線RS-422傳輸，內(nèi)部接收器開關(guān)設(shè)置為接收器和發(fā)射器未互連的其他位置。第二條2線連接到端子A和B.接收和發(fā)送可以同時進(jìn)行。以下討論將僅討論RS-485半雙工配置。

RS-485收發(fā)器和雙線數(shù)據(jù)線之間的典型連接如圖6所示。第二種可能性是使用屏蔽電纜，如圖7所示。RSHIELD可能存在，也可能不存在，這取決于數(shù)據(jù)電纜屏蔽的存在。請注意，在屏蔽或非屏蔽應(yīng)用中，即使有三個或多個收發(fā)器連接到線路，電纜也只能在線路的兩端端接。

圖7.MAX3157線路接口電路，帶屏蔽線。

RS-485 應(yīng)用指南2要求將屏蔽層連接到電纜屏蔽層一端或兩端的接地。建議通過1kΩ電阻將電纜屏蔽層連接到ISO COM。電纜的另一端應(yīng)按照規(guī)范直接接地。如果電纜兩端都有MAX3157，則電纜的至少一端（及其相關(guān)的ISO COM）必須連接到本地接地。電阻值不應(yīng)低于1kΩ，因為如果ISO COM上的電壓超過±3157V，則可以在MAX75內(nèi)部SCR保護(hù)器件中設(shè)置保持電流。

如圖所示連接屏蔽后，很明顯，接地偏移通過R施加到ISO COM盾.同樣明顯的是，接地失調(diào)加上驅(qū)動器失調(diào)電壓通過接收器輸入電阻施加到ISO COM。因此，ISO COM將承擔(dān)與接地偏移不完全相等的電壓。當(dāng)ISO COM與邏輯地不同時，由于八個隔離衰減器電阻存在≈54kΩ并聯(lián)等效性，因此會產(chǎn)生額外的分壓器效應(yīng)。然后，ISO COM處的電壓將略小于e的矢量和1+E+e2如圖 3 所示。

RS-485標(biāo)準(zhǔn)將12kΩ接收器正常模式輸入電阻定義為從任一輸入到接收器公共（本例中為ISO COM）測量的一個單位負(fù)載（U.L.）。由于最大正常模式接收器負(fù)載電阻定義為375Ω，因此可以在同一條線路上連接3157個單元負(fù)載接收器。MAX17包含兩對≈485kΩ電阻，內(nèi)部連接在ISO COM和輸入輸出端A、B、Y和Z之間。如圖所示，當(dāng)內(nèi)部開關(guān)設(shè)置為RS-3157半雙工配置時，端子A和B上的電阻保持開路狀態(tài)，因為這些端子未連接。因此，MAX1比32 U.L.器件略小，允許至少2個器件共用一條線路。另外還有兩對≈ 2.12kΩ電阻連接到輸入和輸出端子 A、B、Y 和 Z。如果需要產(chǎn)生一個 2kΩ （6 U.L.） 接收器正常模式輸入電阻，則可以通過將端子 AR、BR、YR 和 ZR 連接到 ISO COM 來將這些電阻與內(nèi)部 <>kΩ 電阻并聯(lián)。

隔離電位差的頻率限制，V厘米

17kΩ接收器輸入電阻器將輸入A和B3參考到ISO COM，因此它們將導(dǎo)致ISO COM試圖達(dá)到施加到輸入A和B的平均電壓。如果雙線傳輸線上沒有屏蔽，則ISO COM可能未連接，除非如下所述。由于前面描述的電荷泵，已經(jīng)有一對電容器（圖1中的C1和C2）通過從ISO COM到系統(tǒng)GND和系統(tǒng)VCC的電路連接。這些電荷泵電容器將大約1.4Vp-p注入到ISO COM上，除非被放置在ISO COM和GND之間的電容器超壓。推薦的電容器尺寸為10nF。如圖8所示，通過A/B和ISO COM之間的接收器輸入電阻器以及ISO COM和GND之間并聯(lián)電容器CISO（以及有效的C1+C2）的隔離衰減器電阻器（REQ）的組合，形成了頻率選擇網(wǎng)絡(luò)。由于該網(wǎng)絡(luò)，ISO COM不會立即接受DC電壓或跟隨接收器輸入處存在的AC共模電壓。

交流共模電壓通常是電源線頻率加上一些內(nèi)容，包括至少前三次諧波。還可能存在≈ 2.5V的直流驅(qū)動器失調(diào)電壓。接收器輸入電阻兩端出現(xiàn)的總信號部分不應(yīng)超過±7Vp-p。這里應(yīng)該注意的是，由于兩個測量信號之間的相位差，通過從測量的共模輸入信號中減去出現(xiàn)在ISO COM上的信號的測量值來計算這部分信號是不夠的。峰峰值測量必須使用示波器直接在 A/B 接收器輸入和 ISO COM 之間進(jìn)行，以確定此信號電平（當(dāng)由于驅(qū)動器偏移也可能存在直流分量時）。該信號的大小將取決于圖6和圖7中所述的連接方法。

最簡單的方法是先處理圖6所示的非屏蔽線路電路，因為它相對簡單。這也對應(yīng)于圖3和公式2所示的條件。這里有兩種可能的情況，有或沒有終端AR和BR連接到ISO COM。在第一種情況下，A / B和ISO COM之間的等效電阻≈1.1kΩ，而在第二種情況下，則≈8kΩ。這將引用為 R在在以下計算中。圖8顯示了近似的頻率選擇電路等效值。

圖8.用于非屏蔽線的等效輸入電路。

當(dāng)非屏蔽電纜上存在驅(qū)動器偏移電壓時（圖8），該偏移將分布在RIN和REQ之間，就好像e1和e2不存在一樣。當(dāng)端子AR和BR連接到ISO COM時，約2%的EOFFSET將存在于RIN兩端，而當(dāng)未連接時，約13%的EOFFSET。在大多數(shù)情況下，當(dāng)由于REQ的值相對較高而評估AC值e1+e2的極限時，可以安全地忽略2.5V的典型EOFFSET。如果希望計算在RIN上出現(xiàn)的e1和e2的分?jǐn)?shù)，則可以使用方程3來確定基頻含量的影響。請注意，（e1+e2）是一個向量和。

圖9顯示了屏蔽電纜連接的近似頻率選擇電路等效值。由于存在推薦的1kΩRSHIELD，因此存在的任何驅(qū)動器偏移電壓的量將略大于非屏蔽電纜的情況。當(dāng)端子AR和BR連接到ISO COM時，約50%的EOFFSET將存在于RIN兩端，而當(dāng)未連接時，約89%的EOFFET將存在于RIN兩端。由于REQ、RIN和RSHIELD的分壓器效應(yīng)，在評估e1的極限時，2.5V的典型EOFFSET可能并不總是被安全地忽略。如果希望計算出現(xiàn)在RIN上的e1的分?jǐn)?shù)，則可以使用方程4來確定基頻含量的影響。

圖9.用于非屏蔽線的等效輸入電路。

方程3和4的結(jié)果如圖10和11所示，與實驗室測量結(jié)果非常一致。由于實驗結(jié)果是從單個樣本中獲得的，并且使用RIN和REQ的典型值以及C1、C2和CISO的標(biāo)稱值進(jìn)行計算，因此可能會出現(xiàn)微小的變化。

請注意，對于AR和BR打開，對于非屏蔽電纜連接，施加的60Hz信號限制為≈25VPK，而在屏蔽電纜連接的情況下，甚至可以施加240Hz 47VPK信號。在任何一種情況下，當(dāng)AR和BR連接到ISO COM時，最大頻率/電壓限制都不那么嚴(yán)重。如果在非屏蔽線路連接上遇到60Hz共模信號≥25VPK，則可能有必要將AR、BR連接到ISO COM，即使以迫使MAX3157成為1/6 U.L.接收器為代價。屏蔽線連接的優(yōu)點是顯而易見的。

圖 10.最大峰值交流電壓與施加在接收器輸入端的頻率的關(guān)系，產(chǎn)生±7VPK跨 R在用于非屏蔽電纜連接。

圖 11.最大峰值交流電壓與施加在接收器輸入端的頻率的關(guān)系，產(chǎn)生±7VPK跨 R在用于與 R 的屏蔽電纜連接盾= 1kΩ。

開路/短路故障安全

RS-485規(guī)范將接收器差分門限定義為+200mV和？200mV。但是，當(dāng)雙線差分線路開路或線路上的所有驅(qū)動器都處于非活動狀態(tài)時，線路信號電壓未定義，可能落在±200mV接收器閾值限制范圍內(nèi)。為了確保在存在這種情況時獲得定義的接收器狀態(tài)，RS-485系統(tǒng)指南建議在雙線線路上的單個位置放置一個雙電阻網(wǎng)絡(luò)，將一條線路拉向+5V，另一條線路拉向0V，以確保在所有驅(qū)動器處于非活動狀態(tài)時具有明確的接收器狀態(tài)。但是，電阻值必須根據(jù)接收器電路提供的單位負(fù)載數(shù)量來確定。僅當(dāng)連接的接收器不包含合適的開路故障安全電路時，才建議這樣做。目前可用的接收器4確實包含某種內(nèi)部偏置電路，以便在輸入開路時提供已知的輸出狀態(tài)，但這些電路可能會也可能不會為所有可能的線路負(fù)載條件提供完整的故障安全信號。

如果線路短路在一起，則零或接近零的電壓將呈現(xiàn)給接收器的輸入，以創(chuàng)建不確定的接收器輸出狀態(tài)。為了確保在存在此情況時確定接收器狀態(tài)，應(yīng)用指南文檔建議在每個接收器輸入端的線路上放置一個四電阻網(wǎng)絡(luò)。這會在線路上產(chǎn)生額外的單元負(fù)載，并減少線路上可能存在的最大接收器數(shù)量。

MAX3157通過將接收器門限設(shè)置為-200mV和-50mV，為開路或短路提供故障保護(hù)工作。該范圍符合RS-485規(guī)范，可確保在所有線路故障條件下（無論是短路線路、非活動驅(qū)動器線路還是開路線路）都能獲得定義的接收器邏輯高輸出。

保護(hù)電路

如果 ISO COM 和邏輯接地之間的電壓因 ESD 事件而超過 大約 ±50V，則 IC 內(nèi)部有兩個背靠背 100V 擊穿 SCR 器件串聯(lián)，以保護(hù)電路。由于SCR擊穿電壓的潛在不準(zhǔn)確，此電壓差的規(guī)格限值為±75V。重要的是，電纜接地的外部電阻必須足夠高，以防止由于ESD事件而在這些SCR中建立保持電流。在ISO COM和電纜接地之間應(yīng)放置一個不小于1kΩ的電阻，以滿足這一要求。

隔離側(cè)的每個接收器輸入和發(fā)射器輸出上都有內(nèi)部SCR保護(hù)裝置。必須限制進(jìn)入 A、B、Y 或 Z 的連續(xù)電流，以防止在 ESD 事件后發(fā)生閂鎖。A、B、Y或Z上的連續(xù)電壓必須限制在-8或+12.5V，超過RS-485規(guī)格限值-7V或+12V。

結(jié)論

MAX3157利用阻性隔離技術(shù)和容性電壓傳輸為隔離電路供電，可作為電容、光或磁隔離收發(fā)器的低成本替代產(chǎn)品，適用于大多數(shù)只需要中等隔離電壓能力的系統(tǒng)。此外，它還具有真正的故障安全接收器性能。數(shù)據(jù)手冊中充分描述了它的其他幾個有用特性。

審核編輯：郭婷