Vybití elektrostatického výboje (ESD) do rozvaděče, který je připojen může na průmyslové síti vytvořit napětí nad 20 voltů, a to výrazně převyšuje provozní maximální napětí 12 voltů specifikované ve standardu RS-422 / RS-485. Při takovém překročení napětí robustní transceiver RS-422 / RS-485 může zpracovávat či vysílat poškozená data nebo může dojít k úplnému selhání přenosu. Proto je vhodné tyto transceivery od těchto napěťových špiček chránit. K tomu je možné použít transformátory nebo optočleny, které vnášejí do systému složitost a mají určitou omezení v propustnosti.

Vhodné je použít oddělení pomocí čipu, který má v sobě integrované transformátory, DC-DC regulátor a tříkanálový oddělovač signálu. Tím se celé řešení stává kompaktnější, jednodušší a levnější.

Tento článek pojednává o problému ochrany a různých přístupech jejího řešení. Dále si popíšeme, jaké pokroky jsou v planárních transformátorech, které umožňují vyšší integraci digitálního oddělení. Jako praktický příklad si uvedeme dvě vysoce integrovaný oddělený transceiver RS-422 / RS-485 od Analog Devices.

Oddělení napájení a signálu

Oddělení napájení se obvykle dosahuje pomocí transformátoru (obrázek 1), ale tato metoda má některé nevýhody:

• Transformátor je obvykle dražší a větší než ekvivalentní induktor používaný v neodděleném napájecím zdroji.
• Transformátor je méně účinný než induktor.
• Oddělení brání přímému snímání, regulace a výkon je horší než neodděleném zařízení.
• Menší, neoddělené převodníky DC-DC lze umístit blízko zátěže, aby se snížily účinky přenosového vedení a zvýšila se účinnost.
• Protože transformátor je obvykle vyroben na zakázku, žádné dva transformátory neposkytují přesně stejný výstup.

Obrázek 1: Oddělený stejnosměrný napájecí zdroj (dole) používá transformátor namísto induktoru (neoddělená verze). To zvyšuje velikost a náklady a snižuje účinnost. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)

Další metodou k dosažení izolační bariéry pro signální cestu je použití optočlenu. Nejzákladnější typ optočlenu využívá LED diodu a fototranzistor uzavřený v odolném obalu. LED dioda přeměňuje elektrický signál na světelný paprsek, který dopadá na fototranzistor, který je citlivý na světlo a reaguje změnou proudu mezi jeho emitorem a kolektorem.

Oddělení signálu pomocí optočlenu je jednoduché a efektivní, má však určité nevýhody:

• Požadavky na napájení LED diod jsou relativně vysoké.
• Optočleny často přestanou pracovat bez varování kvůli poruše LED diody.
• Propagační zpoždění omezují propustnost.
• Protože vstup a výstup optočlenu nejsou řízeny logickými hradly je spojení s ostatní částí digitálního systému složitější.
• Je obtížné integrovat více kanálů optočlenu do jednoho pouzdra.

Digitální oddělení

Drahé objemné transformátory a optočleny s omezenou propustností lze nahradit digitálním řešením, které nabízí dlouhou životnost, vysokou propustnost, a navíc nižší spotřebu energie. Nedávný pokrok v technologii, materiálech a miniaturizaci způsobil to, že není potřeba externího oddělovacího bloku DC-DC.

Tato řešení digitálního oddělení snižuje náklady, složitost a zmenšuje velikost zařízení. Příkladem digitálního oddělení napájení i signální cesty je iCoupler a iso Power od Analog Devices, kde se využívá architektura řadiče na sekundární straně s izolovanou zpětnou vazbou šířkové modulace (PWM). Energie se dodává do oscilačního obvodu, který přepíná proud na planární transformátor, který zase přenáší energii na sekundární stranu, kde je usměrňován a regulován na 3,3 voltu (obrázek 2).

Obrázek 2: iCoupler a isoPower používají planární transformátory, které eliminují potřebu napájení mimo čip a bloků pro oddělení signálu. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Zpětnovazební smyčka moduluje obvod oscilátoru, aby řídil energii na sekundární straně. Díky zpětné vazbě se dosáhne vyššího výkonu a výrazně se zvýší také účinnost. Transformátor umístěný přímo na čipu poskytuje vynikající imunitu až do 100 kV / μs.

iCoupler využívá vinutí transformátoru k magnetickému spojení digitálních signálů. Tento typ digitálního oddělení řádově snižuje spotřebu energie ve srovnání s optočlenem. Tato technika je založena na kódování vzestupné a sestupné hrany vstupních signálů do dvojitých nebo jednoduchých proudových impulsů, které řídí primární vinutí. To zase vytváří malé lokalizované magnetické pole, které indukuje proud v sekundárním vinutí. Tyto impulsy trvají přibližně 1 ns, takže průměrný proud je malý. Impulzy jsou dekódovány zpět do vzestupných / sestupných hran na sekundární straně (obrázek 3).

Obrázek 3: iCoupler kóduje vzestupnou a sestupnou hranu vstupních signálů do proudových impulsů do primárního vinutí, a tím indukuje proud v sekundárním vinutí. Impulzy jsou poté dekódovány zpět do vzestupných / sestupných hran. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Průmyslové řešení

K dispozici jsou transceivery s integrovaným oddělením pro napájení a signální cestu - iCoupler a isoPower. Digitálně izolované transceivery RS-422 / RS-485 ADM2682EBRIZ a ADM2687EBRIZ od společnosti Analog Devices nabízejí kompaktní, jednoduché a levné řešení oddělení s nízkou spotřebou energie.

ADM2682EBRIZ nabízí datovou rychlost 16 Mbits / s, zatímco ADM2687EBRIZ dokáže zpracovávat data rychlostí 500 kbits / s. Tyto čipy mají plně integrovanou ochranu signálu 5 kV_rms s ochranu napájení ESD ± 15 kV. Transceivery obsahují integrovaný oddělený napájecí zdroj DC-DC 5 kV_rms, a díky tomu není nutné použít externí DC-DC regulátor.

Do každého čipu je zabudován tříkanálový oddělovač, třístupňový budič diferenciálního vedení, přijímač diferenciálního vstupu a oddělovací měnič DC-DC (obrázek 4). Modely ADM2682EBRIZ a ADM2687EBRIZ jsou napájeny z 3,3 V nebo 5 V. Mezi jeho funkce patří také omezení proudu a ochrana vůči přehřátí, která chrání před zkraty na výstupu. Tyto čipy jsou určeny pro průmyslový provoz a jsou schopny pracovat v teplotním rozsahu od -40 °C do + 85 °C.

Obrázek 4: Transceivery ADM2682EBRIZ a ADM2687EBRIZ od společnosti Analog Devices mají integrovaný tříkanálový oddělovač, třístupňový budič diferenciální linky, přijímač diferenciálního vstupu a izolovaný převodník DC-DC. To vše v jednom pouzdře. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Tyto transceivery RS-422 / RS-485 jsou certifikovány v souladu s UL1577, která vyžaduje ochranu a izolaci až do 5 kV po dobu jedné minuty, 25 kV po dobu jedné mikrosekundu a přechodnou imunitu mezi zemí a signálními cestami RS-422 / RS-485.

Elektromagnetické rušení EMI

Použitím digitálních oddělovačů se zvyšuje elektromagnetické rušení (EMI). Řešení od analog Devices využívá oscilátory, které přepínají proud do transformátoru na frekvenci mezi 180 a 300 MHz. Usměrňovač na sekundární straně zdvojnásobuje tuto frekvenci. Výsledná pracovní frekvence je o tři řády vyšší než standardní DC-DC převodník a generovaný šum je v rozsahu 30 MHz až 1 GHz, a to může způsobit problémy s EMI.

Čtyřvrstvé desky s transceivery RS-422 / RS-485 využívající technologii iCoupler a isoPower mají dva potenciální zdroje EMI: na okraji desky a dipólové záření vstup-výstup. Záření na okraji desky je generováno tam, kde se diferenciální šum z mnoha zdrojů setkává s okrajem desky a uniká z mezery plane- plane, která funguje jako vlnovod. Dipólové záření vstup-výstup je generováno proudem přes mezeru mezi zemními rovinami – funkce oddělení napájení (obrázek 5).

Obrázek 5: Dipólové záření vstup-výstup je generováno proudem přes mezeru mezi zemními rovinami. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Ke snížení EMI lze provést následující opatření:

• Umístění překlenovacího (slitching) kondenzátoru zemní roviny vstup-výstup
• Řízení zátěže
• Ochrana okraje desky
• Vložením meziplošné kapacity (Interplane capacitive)

Umístěním překlenovacího kondenzátoru v blízkosti signálu se eliminují rozdílové proudy a napětí mezi vodivými rovinami desky plošných spojů, které by mohly generovat elektrický šum.

Překlenovací kondenzátor se řeší třemi způsoby:

• Kondenzátor umístěný přes tuto mezeru
• Plovoucí tenký krátký spoj, který překlene mezeru mezi izolovanou a neizolovanou stranou ve vnitřní vrstvě
• Prodloužení zemních a silových rovin ve vnitřních vrstvách do izolační mezery. Tím vznikne meziplošný kondenzátor

Snížit EMI u isoPower lze tak, že připojíme co nejmenší zátěž. Díky tomu se zkrátí doba zapnutí oscilátoru, a tím se zase sníží množství šumu, které zařízení generuje. Ochrana okraje desky se provede pomocí ochranného prstence spojeného prokovy. To má za cíl odrážet emise z prokovů zpět do mezivrstev a nedovolit jim uniknout z okraje desky. Dalším cílem je stínění okrajových proudů, které proudí vnitřními rovinami kvůli šumu.

Kapacitní bypass v mezivrstvě je technika určená ke snížení jak vedených, tak vyzařovaných emisí. Tyto těsně spojené roviny poskytují kapacitní vrstvu, která doplňuje všechny obtokové kondenzátory umístěné na desce.

Podpora vývoje

Analog Devices nabízí vývojové desky pro transceivery ADM2682EBRIZ a ADM2687EBRIZ RS-422 / RS-485. Konkrétně se jedná o desku EVAL-ADM2682EEBZ pro ADM2682E a EVAL-ADM2687EEBZ pro ADM2687E.

Desky umožňují snadné posouzení izolovaných transceiverů RS-422 / RS-485. Obsahují šroubové svorkovnice, které poskytují pohodlné připojení napájení a signálních cest. Desky se snadno konfigurují pomocí propojek.

Vývojové desky lze použít v polo duplexních nebo plně duplexních zapojeních. Na vstupy přijímače je připojen zakončovací odpor R_T o velikosti 120 Ω. Zkušební body jsou přivedeny na napájecím i signálním vedení na obou stranách izolační bariéry. Pomocí LK1-4 přepínače si lze zvolit, aby se signály připojili z testovacích bodů na svorkovnici. Jsou-li LK5 a LK6 propojeny, deska je nastavena pro polo duplexní provoz a v opačném případě je nastavena pro plně duplexní provoz (obrázek 6).

Obrázek 6: Základní provozní nastavení vývojové desky pro testování digitálně izolovaných transceiverů RS-422 / RS-485. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Vývojové desky umožňují vyzkoušení průmyslových komunikačních systémů založených na transceiverech ADM2682EBRIZ a ADM2687EBRIZ RS-422 / RS-485, ale mohou sloužit také jako referenční design, jelikož jsou navrženy podle výše uvedených technik ke snížení vyzařování EMI.

Plně duplexní implementace obvodu ADM2682E / 2587E je znázorněna na obrázku 7. Ke sběrnici lze připojit až 256 transceiverů. Umístění ukončovacího odporu R_T závisí na umístění uzlu a konfiguraci sítě. Obecně se doporučuje minimalizovat odrazy tím, že se ukončí linka na přijímacím konci v její charakteristické impedanci.

Obrázek 7: Na sběrnici RS-485 / RS-422 lze připojit až 256 transceiverů. Umístění ukončovacího odporu R_T na přijímacím konci. V případě polo duplexního režimu je ukončení na obou koncích (zde je zobrazen režim plného duplexu). (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Závěr

Průmyslová komunikace je ohrožena špičkami napájecího napětí. Ochrana pomocí diskrétních součástek je složitá a prostorově náročná. Proto je vhodné využít integrovaných čipů, které obsahují transformátory a tříkanálové oddělovače, třístupňové budiče diferenciálního vedení, přijímače diferenciálního vstupu a izolované měniče DC-DC v jednom pouzdře. Tím se sníží náklady na vývoj a dojde ke zmenšení celého designu.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Steven Keeping.