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使用GMR隔离提高PROFIBUS RS-485的可靠性

时间:2018-10-16 作者:Tom Kugelstadt,瑞萨电子株式会社 阅读:
本文将介绍新的PROFIBUS DP节点的最佳设计,重点介绍总线节点隔离、符合PROFIBUS规范和总线信号极性,并将介绍经PROFIBUS国际认可、隔离技术基于巨磁电阻(GMR)的新型隔离收发器系列……
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PROFIBUS是最常见的现场总线,当前有超过5000万个节点在运行。该总线最初于1989年在德国开发出来并被注册为DIN 19245,国际电工委员会(IEC)已在IEC 61158标准中承认了PROFIBUS及其各种互连格式。

PROFIBUS源自“过程现场总线(Process Field Bus)”一词的缩写,最初是作为位级串行通信标准而设计的。PROFIBUS可以协调网络系统中各节点间的信息交换的执行步骤。最初的PROFIBUS现场管理系统(FMS)被更简单灵活的协议所取代,例如PROFIBUS分布式外设(DP),PROFIBUS过程自动化(PA)以及仅针对电机控制的ProfiDrive。

PROFIBUS DP是迄今为止最流行的实施方案,并且继续保持着强劲增长的势头。但是,随着新DP网络安装数量的不断增加,应用的具体要求也在不断增加。其中包括更高的工作温度和隔离电压,以及更小的外形尺寸。虽然许多RS-485收发器号称与PROFIBUS兼容,但真正符合标准的只有少数,而能够满足日益严苛系统要求的就更少了。

本文将介绍新的PROFIBUS DP节点的最佳设计,重点介绍总线节点隔离、符合PROFIBUS规范和总线信号极性,并将介绍经PROFIBUS国际认可、隔离技术基于巨磁电阻(GMR)的新型隔离收发器系列,该系列包括业界尺寸最小和性能最强大的PROFIBUS收发器。本文还将展示如何保护隔离总线节点免受ESD、EFT和瞬间浪涌的影响。

传统隔离

图1展示了PROFIBUS DP标准文档中描述的传统隔离总线节点设计。该电路使用三个光耦合器将PROFIBUS收发器与其他以大地为接地参考的控制器电路分开。

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图1. 传统的PROFIBUS DP节点

瑞萨电子将GMR隔离器与PROFIBUS RS-485收发器集成,推出了ISL32740型号收发器。该器件显著减少了元件数量并降低了功耗,同时提高了对共模电压和线路噪声的容差。此外,收发器可靠性也显著提高。由于GMR隔离器中没有磨损机制,因此该器件在应用的整个生命周期都无需更换。图2展示了使用ISL32740的典型DP节点设计。

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图2. 使用ISL32740的新式PROFIBUS DP节点

合规和认证

PROFIBUS国际标准对收发器差分输出电压进行了限制,禁止使用许多目前市场上的收发器芯片。在空载条件下,最大差分总线电压限制在7VPP。而对于最大负载,最小值限制为4VPP。

许多具有高输出驱动的RS-485收发器能够满足4VPP的最小值,但因为生产差分电压高达8.5V的驱动器比较容易,往往会超过7VPP的最大值。但在这里,并不是电压越高越好。

因此需要注意,如果未使用符合4VPP至7VPP限制的收发器,将导致任何申请PROFIBUS认证的产品无法通过认证。另一个申请会遇到的问题是收发器差分电压要求在最大指定电源电压下测量,对于5V收发器来说,通常为5.5V。PROFIBUS测试实验室在合规性测试中会使用这一最恶劣的条件。

总线信号规则

RS-485标准明确地将收发器总线端子A和B分别定义为反相和非反相端子。然而,所有收发器制造商都使用相反的规则,其端子A是非反相,端子B是反相端子。

这个现象一直延续至今。PROFIBUS会按照EIA-485标准,将非反相端子分配给B线,将反相端子分配给A线。但是,全世界的收发器制造商仍在使用相反的信号端子定义。

指定和实际应用的信号规则不匹配一直困扰着网络研发人员。这个问题的解决方案其实很简单,迄今为止安装的5000万个PROFIBUS节点的收发器A为非反相,B为反相端,遵循这一信号规则就可以确保研发人员的设计与未来将会安装的5000万个节点是兼容的。

GMR PROFIBUS解决方案

在推出非隔离式ISL3159型号PROFIBUS收发器后,瑞萨电子又将该器件与数字隔离器(基于GMR技术)集成到单个封装中,进而推出ISL3274x系列隔离式PROFIBUS收发器。最初的ISL32740EIBZ设计针对严格要求8mm爬电距离和标准工业温度范围-40°C至85°C的应用。

对于需要小尺寸封装的密集设计,可以将同样的解决方案应用到更小的16引脚QSOP封装中,从而最大程度地实现小型化,同时还能保持 -40°C至85°C的工作温度范围。根据PROFIBUS用户的需求,确定在以后的设计中需要达到115°C和125°C的更高环境温度。此时采用8mm、16引脚的宽体SOIC封装虽然能够提供足够低的热阻并可以在125°C下继续工作,但是良率会降低。这正是瑞萨电子推出高温PROFIBUS隔离器ISL32740EFBZ的原因。

然而,真正的设计挑战来自于医疗和机器人应用领域的用户,他们不仅有更高的温度需求,还需要VDE增强隔离。为此,瑞萨电子推出的ISL32741EIBZ和ISL32741EFBZ设计采用6kV隔离器,分别对应工业和扩展工业温度范围。虽然这些应用通常使用RS-485,而不是PROFIBUS DP,但瑞萨电子的PROFIBUS收发器同时符合这两个标准。表1列出了各种PROFIBUS收发器的专有特性。需注意,所有收发器在3.0V至5.5V的主电源和4.5V至5.5V的辅助电源下工作时,支持的最大数据速率为40Mbps。

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表1. 隔离式PROFIBUS收发器

瞬态保护

为了ISL32740E的应用能扛住超出器件耐压的瞬变,需要增加一个外部瞬态电压抑制器(TVS)。为此,瑞萨电子选用了Semtech RClamp0512TQ,因为它具有高瞬态保护水平、低结电容和小外形尺寸。

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表2. RCLAMP0512 TVS特性

TVS在总线和隔离接地(GNDISO)之间执行,如图3所示。由于总线上的瞬态电压以接地电位(也称为保护接地,PE)为参考,因此在GNDISO和PE之间插入高压电容(CHV),为高频瞬变提供低阻抗回路。需注意的是,与PE的连接常通过设备的金属机箱或很短的低电感线实现。

添加一个高压电阻(RHV)与CHV并联,可以防止浮地(GNDISO)和电缆屏蔽(通常用于PROFIBUS)中静电的积聚。表3列出了该电路所需的材料清单。

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图3. 具有瞬态保护的隔离式PROFIBUS DP节点

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表3. 材料清单

结论

许多设备可在PROFIBUS DP节点中运行。但其中只有少部分符合7VPP DP最大差分电压规范。ISL3274xE隔离式收发器符合PROFIBUS规范,经PROFIBUS国际认可,可用于DP节点。它们使用GMR隔离器技术实现基本和强化隔离,消除了设计风险并加速产品上市时间。

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关于作者

Tom Kugelstadt是瑞萨电子株式会社的首席应用工程师。他是法兰克福应用科技大学的毕业工程师,在模拟电路设计方面拥有30多年的经验。

 

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