RS485總線是一種使用(yòng)平衡發送，差分接收實現(xiàn)通訊的通用(yòng)串口通信總線，由于其具有抗共模幹擾能(néng)力強、成本低(dī)、抗噪能(néng)力強、傳輸距離遠、傳輸速率高(gāo)、可連接多達256個收發器等優點，廣泛應用(yòng)于工(gōng)業智能(néng)儀表，通訊設備等各個領域。

RS485電路可以分爲非隔離型和(hé)隔離型。隔離型電路是在非隔離型電路的基礎上(shàng)增加隔離性能(néng)，使得電路具有更強的抗幹擾性和(hé)系統穩定性。下(xià)面主要圍繞隔離型485電路進行簡單介紹。

一．什(shén)麽情況需要485隔離

• 當485通信接口外(wài)部節點連接高(gāo)壓時(shí)，極易損壞後端電路，甚至可能(néng)會(huì)在使用(yòng)端産生觸電；           

• 當485通信節點距離太遠時(shí)，每個節點的參考地都接于本地的大(dà)地，當兩端大(dà)地之間存在較大(dà)的壓差時(shí)，地電勢會(huì)以共模電壓的方式疊加在信号線上(shàng)，從(cóng)而有可能(néng)超出端口可承受的共模電壓範圍，影響正常通信，甚至會(huì)損壞後端電路

• 當距離較遠的485通信節點之間的地平面利用(yòng)線纜進行連接時(shí)（如485屏蔽電纜），地線會(huì)和(hé)大(dà)地形成地環路，該環路會(huì)耦合外(wài)部共模噪聲，并産生地環路電流，可能(néng)會(huì)導緻整個電路系統失效。    

二．實現(xiàn)485隔離的具體方案

    爲了(le)避免上(shàng)述情況發生，我們可以使用(yòng)485隔離電路以實現(xiàn)。下(xià)面介紹幾種常用(yòng)485電路隔離方案。

l 利用(yòng)光耦隔離實現(xiàn)485隔離

    最早的隔離器件爲光耦隔離器。在基于CMOS的數字隔離器開(kāi)發成功以前，市面上(shàng)所有的隔離器件均爲光耦隔離器件。下(xià)圖爲使用(yòng)傳統三個光耦隔離器實現(xiàn)的485隔離電路。

圖1 基于光耦隔離的485隔離電路

l  利用(yòng)光耦+數字隔離實現(xiàn)485電路隔離

    由于普通的光耦隔離芯片隻能(néng)适用(yòng)于通訊速率較低(dī)的情況，那麽在高(gāo)速信号傳輸電路中，485使能(néng)信号可繼續使用(yòng)光耦隔離器件對(duì)進行隔離，而數據信号通路則可使用(yòng)高(gāo)速數字隔離芯片NSi8121N1實現(xiàn)。相較于傳統光耦電路，系統傳輸速率提高(gāo)，且降低(dī)了(le)系統複雜(zá)度。下(xià)圖爲利用(yòng)光耦隔離和(hé)數字隔離共同實現(xiàn)的485隔離電路

圖2 基于光耦隔離和(hé)數字隔離的485隔離電路

l  利用(yòng)數字隔離器實現(xiàn)485電路隔離

    隻要有光耦隔離存在，就會(huì)有使用(yòng)壽命短、抗共模能(néng)力弱、功耗高(gāo)等缺點，仍極大(dà)的限制電路使用(yòng)場景，而隔離電路全部使用(yòng)數字隔離器能(néng)很(hěn)好(hǎo)的避免這(zhè)些(xiē)問題。下(xià)面是使用(yòng)NSi8131N1芯片實現(xiàn)的485隔離電路。

圖3 基于數字隔離的485隔離電路

l  利用(yòng)NOVOSENSE 集成隔離485芯片實現(xiàn)485電路隔離

    相較于上(shàng)述三種利用(yòng)複雜(zá)外(wài)圍電路實現(xiàn)485電路隔離的方案，NSi8308x系列芯片僅需單顆芯片即可實現(xiàn)485隔離，并且提高(gāo)了(le)系統的可靠性，穩定性。NSi8308x系列芯片是蘇州納芯微電子推出的隔離型485芯片，内部集成了(le)一個三通道(dào)電容隔離及一個485收發器，其中NSi83085用(yòng)于半雙工(gōng)485隔離，最高(gāo)可達500kbps通信速率，同時(shí)具有低(dī)擺率的特點，能(néng)夠減少EMI輻射以及由于終端匹配不當引起的反射；NSi83086用(yòng)于全雙工(gōng)485隔離，最高(gāo)可達16Mbps通信速率，可極大(dà)的減小(xiǎo)系統PCB面積，簡化系統方案設計(jì)，提高(gāo)系統的可靠性。NSi8308x的總線接口具有±16kV的系統級接觸放(fàng)電ESD保護能(néng)力。具有失效保護電路，當接收器輸入開(kāi)路、短路或者總線空(kōng)閑時(shí)，接收器将輸出邏輯高(gāo)電平。接收器的輸入阻抗爲1/8單位負載，允許多達256個收發器挂在總線上(shàng)。輸出驅動器提供了(le)超大(dà)輸出電壓擺幅，從(cóng)而保證了(le)更高(gāo)的噪聲容限。

圖4 集成式485隔離電路

三．幾種485隔離電路對(duì)比

    下(xià)面是針對(duì)上(shàng)述幾種485隔離方案的各項指标對(duì)比

圖5 幾種485隔離電路面積對(duì)比

表1 幾種485隔離電路性能(néng)對(duì)比

四．485 EMC保護電路

    雖然隔離能(néng)有效抑制高(gāo)共模電壓，但(dàn)總線上(shàng)還可能(néng)存在浪湧、雷擊及短路等問題存在，所以在EMC等級要求比較高(gāo)的系統中，需要在總線上(shàng)再采取一定的保護措施。NSi8308x的總線接口具有±16kV的系統級接觸放(fàng)電ESD保護能(néng)力。跨越隔離帶的浪湧能(néng)力能(néng)夠達到(dào)+-8kV。具有失效保護電路，當接收器輸入開(kāi)路、短路或者總線空(kōng)閑時(shí)，接收器将輸出邏輯高(gāo)電平。如果有更高(gāo)的EMC保護需求，也(yě)可以通過增加外(wài)圍電路來(lái)提高(gāo)。給你(nǐ)介紹一種以NSi83085爲例實現(xiàn)更高(gāo)的 485EMC保護電路的方法。下(xià)圖以NSi83085爲例介紹一種實現(xiàn)485 EMC保護電路的方法。

圖6  485 EMC保護電路

    NSi8308x具有内部失效保護電路，當接收器輸入開(kāi)路或短路、或者挂在終端匹配總線上(shàng)的所有發送器都禁用(yòng)時(shí)，接收器将輸出邏輯高(gāo)電平；此外(wài)，/RE及DE引腳有内置下(xià)拉電阻，D引腳有内置上(shàng)拉電阻。因此，在所有輸入引腳及總線上(shàng)無需加任何上(shàng)下(xià)拉電阻即可保證發送、接收狀态确定。在A、B總線之間加一個120Ω電阻用(yòng)以終端阻抗匹配，隻有通訊距離較長的系統中的第一個節點和(hé)最後一個節點才會(huì)加這(zhè)個匹配電阻。

當外(wài)部瞬态大(dà)電壓/電流信号（如雷擊）感應到(dào)A、B線上(shàng)時(shí)，先經過保險絲，防止當RS-485總線與電源線搭短路時(shí)燒掉後續電路；然後用(yòng)氣體放(fàng)電管（GDT）進行初級防護，将高(gāo)壓信号降低(dī)到(dào)1kV以下(xià)，通常GDT可以承受10kA(8x20us)浪湧沖擊；然後TVS作(zuò)爲二級保護，将總線電平鉗制到(dào)7.5V以下(xià)。由于GDT響應時(shí)間較長，在一級防護和(hé)二級防護之間需再加TBU器件，以限制GDT未響應時(shí)會(huì)有過流信号燒壞TVS管。通常，對(duì)于4kV以下(xià)過電壓，可以省去初級保護GDT，單用(yòng)TVS就能(néng)實現(xiàn)浪湧保護的要求。

五．總結

    隔離型485電路可有效将系統中高(gāo)壓區(qū)域與安全區(qū)域隔離，以保證設備及人身安全；并斷開(kāi)長距離傳輸信号的地回路，以避免地環路和(hé)共模信号的影響，因而越來(lái)越多的應用(yòng)于485系統中。

    蘇州納芯微的半雙工(gōng)隔離RS-485芯片NSi83085及全雙工(gōng)隔離RS-485芯片NSi83086具有高(gāo)可靠性、高(gāo)隔離耐壓、高(gāo)共模抗擾、以及高(gāo)集成度的特點，其能(néng)夠承受較爲複雜(zá)的EMC環境，如ESD、EFT、浪湧等；隔離耐壓值可達到(dào)符合UL1577标準的5kVrms，CMTI達到(dào)150kV/us；内部集成了(le)數字隔離和(hé)RS-485驅動兩種功能(néng)設計(jì)，可大(dà)幅簡化系統設計(jì)複雜(zá)度，并減少系統PCB的面積，是實現(xiàn)485隔離的最佳選擇。