新能源領(lǐng)域中的多節(jié)點(diǎn)RS-485總線保護(hù)電路應(yīng)用
[導(dǎo)讀]隨著“碳中和”概念普及，光伏、風(fēng)力、儲(chǔ)能等行業(yè)再度迎來風(fēng)口。而作為這些行業(yè)的常用通訊接口，RS-485往往需要添加保護(hù)電路來保障通訊穩(wěn)定，本文將為大家介紹一種多節(jié)點(diǎn)環(huán)境的保護(hù)電路方案。
隨著“碳中和”概念普及，光伏、風(fēng)力、儲(chǔ)能等行業(yè)再度迎來風(fēng)口。而作為這些行業(yè)的常用通訊接口，RS-485往往需要添加保護(hù)電路來保障通訊穩(wěn)定，本文將為大家介紹一種多節(jié)點(diǎn)環(huán)境的保護(hù)電路方案。
本文將重點(diǎn)介紹RS-485相關(guān)的總線保護(hù)電路方案。
常用RS-485保護(hù)電路
圖 1 保護(hù)電路1
如圖 1所示的保護(hù)電路，氣體放電管將接口處的大部分浪涌電流泄放，共模電感濾除共模信號(hào)的干擾，TVS進(jìn)一步降低氣體放電管后的殘壓，從而保護(hù)后級(jí)電路。RSM485ECHT模塊應(yīng)用圖 1所示保護(hù)電路可以達(dá)到接觸靜電±8kV，共模浪涌±4kV，差模浪涌±2kV，滿足大部分工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)RS-485節(jié)點(diǎn)靜電和浪涌等級(jí)的要求。
圖 1所示保護(hù)電路雖然保護(hù)能力較強(qiáng)，但其結(jié)電容較大， A-RGND或B-RGND結(jié)電容為2.5nF左右，當(dāng)總線上有較多節(jié)點(diǎn)均使用圖 1保護(hù)電路進(jìn)行組網(wǎng)時(shí)，總線的電容量較大，信號(hào)反射以及信號(hào)邊沿趨于平緩使信號(hào)質(zhì)量變差，甚至?xí)?dǎo)致通信異常。
總線電容導(dǎo)致的信號(hào)反射問題
當(dāng)信號(hào)在通信線上傳輸，到達(dá)RS-485節(jié)點(diǎn)上的保護(hù)電路時(shí)，保護(hù)電路的結(jié)電容使信號(hào)受到的瞬時(shí)阻抗發(fā)生變化，一部分信號(hào)將被反射，另一部分發(fā)生失真并繼續(xù)傳播下去。
圖 2所示為RSM485ECHT單節(jié)點(diǎn)發(fā)送波形，圖 3為RS-485總線接6個(gè)保護(hù)電路的示意圖，每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離在30cm左右，使用雙絞線手拉手連接，圖 4和圖 5分別為在總線上接6個(gè)圖 1所示電路的波形測(cè)試點(diǎn)1和波形測(cè)試點(diǎn)6（圖 3中標(biāo)注的位置）的波形，波形的上升/下降時(shí)間變長(zhǎng)，并且波形測(cè)試點(diǎn)1波形變成了臺(tái)階形狀。
圖 2 RSM485ECHT單節(jié)點(diǎn)RS-485接口差分波形
圖 3 總線接6個(gè)保護(hù)電路連接示意圖
圖 4 RSM485ECHT接6個(gè)保護(hù)電路波形測(cè)試點(diǎn)1波形
圖 5 RSM485ECHT接6個(gè)保護(hù)電路波形測(cè)試點(diǎn)6波形
RSM485ECHT的RS-485接口驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，如下為使用相同測(cè)試條件測(cè)試市場(chǎng)上常用的RS-485收發(fā)器芯片測(cè)試波形，可以看出其波形已被嚴(yán)重干擾，且反射波形已到達(dá)RS-485芯片門限電平附近，有可能引起通信異常。因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)選擇驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)的收發(fā)器。
圖 6 某RS-485收發(fā)器接6個(gè)保護(hù)電路波形測(cè)試點(diǎn)1波形
圖 7 某RS-485收發(fā)器接6個(gè)保護(hù)電路波形測(cè)試點(diǎn)6波形
低結(jié)電容保護(hù)電路
當(dāng)通信節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，可以使用如圖 8所示保護(hù)電路，其A-RGND或B-RGND的結(jié)電容僅為20pF，雖然TVS結(jié)電容較大，但普通二極管結(jié)電容非常小，TVS與普通二極管的結(jié)電容為串聯(lián)關(guān)系，因此可以減小保護(hù)電路的結(jié)電容。使用圖 8進(jìn)行圖 3所示的組網(wǎng)，測(cè)試點(diǎn)1的波形如圖 9所示，測(cè)試點(diǎn)6波形如圖 10所示，波形基本未發(fā)生變化。
圖 8 保護(hù)電路2（低結(jié)電容）
圖 9 RSM485ECHT接6個(gè)保護(hù)電路2波形測(cè)試點(diǎn)1波形
圖 10 RSM485ECHT接6個(gè)保護(hù)電路2波形測(cè)試點(diǎn)6波形
總結(jié)
總線上掛載的保護(hù)電路會(huì)使信號(hào)受到的瞬時(shí)阻抗發(fā)生變化，導(dǎo)致信號(hào)反射，當(dāng)總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，總線的電容量較大，會(huì)對(duì)總線波形造成干擾，影響通信信號(hào)質(zhì)量，因此為減小保護(hù)電路對(duì)總線通信的影響，在實(shí)際應(yīng)用可以選擇驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)的收發(fā)器，并且保護(hù)電路若使用圖 1所示保護(hù)電路，應(yīng)選擇低結(jié)電容TVS，也可選擇使用如圖 8所示的低結(jié)電容保護(hù)電路。
致遠(yuǎn)電子作為國(guó)內(nèi)總線隔離領(lǐng)導(dǎo)品牌，經(jīng)過二十年的技術(shù)積累，面向新能源以及工業(yè)領(lǐng)域推出RSM系列隔離收發(fā)器。RSM系列產(chǎn)品能有效解決總線干擾、通信異常等問題。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比， RSM系列產(chǎn)品內(nèi)置完整的隔離DC-DC電路、信號(hào)隔離電路、RS-485總線收發(fā)電路以及總線防護(hù)電路，具備高集成度與可靠性，能夠有效幫助用戶提升總線通信防護(hù)等級(jí)。
“碳中和”是今年飽受熱議的話題，而實(shí)現(xiàn)“碳中和”的關(guān)鍵元素之一就是大力發(fā)展新能源。在未來我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)中，新能源中許多細(xì)分行業(yè)都會(huì)對(duì)“碳中和”做出卓越貢獻(xiàn)。比如，光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、逆變儲(chǔ)能等一系列產(chǎn)業(yè)將迎來蓬勃發(fā)展。
而作為新能源領(lǐng)域中設(shè)備間通訊的一種常用接口，RS-485總線在應(yīng)用中經(jīng)常需要添加外圍保護(hù)電路來抵御高等級(jí)的靜電或浪涌帶來的影響，保障自身通訊穩(wěn)定。但工程師通常會(huì)使用氣體放電管和TVS管搭建防護(hù)電路，該電路的結(jié)電容較高，在節(jié)點(diǎn)數(shù)較多時(shí)將會(huì)影響總線通訊。針對(duì)此問題，本文將為大家介紹一種低結(jié)電容的外圍電路設(shè)計(jì)方案參考。本文將重點(diǎn)介紹RS-485相關(guān)的總線保護(hù)電路方案。
常用RS-485保護(hù)電路 圖 1 保護(hù)電路1
如圖 1所示的保護(hù)電路，氣體放電管將接口處的大部分浪涌電流泄放，共模電感濾除共模信號(hào)的干擾，TVS進(jìn)一步降低氣體放電管后的殘壓，從而保護(hù)后級(jí)電路。RSM485ECHT模塊應(yīng)用圖 1所示保護(hù)電路可以達(dá)到接觸靜電±8kV，共模浪涌±4kV，差模浪涌±2kV，滿足大部分工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)RS-485節(jié)點(diǎn)靜電和浪涌等級(jí)的要求。
圖 1所示保護(hù)電路雖然保護(hù)能力較強(qiáng)，但其結(jié)電容較大， A-RGND或B-RGND結(jié)電容為2.5nF左右，當(dāng)總線上有較多節(jié)點(diǎn)均使用圖 1保護(hù)電路進(jìn)行組網(wǎng)時(shí)，總線的電容量較大，信號(hào)反射以及信號(hào)邊沿趨于平緩使信號(hào)質(zhì)量變差，甚至?xí)?dǎo)致通信異常。
總線電容導(dǎo)致的信號(hào)反射問題當(dāng)信號(hào)在通信線上傳輸，到達(dá)RS-485節(jié)點(diǎn)上的保護(hù)電路時(shí)，保護(hù)電路的結(jié)電容使信號(hào)受到的瞬時(shí)阻抗發(fā)生變化，一部分信號(hào)將被反射，另一部分發(fā)生失真并繼續(xù)傳播下去。
圖 2所示為RSM485ECHT單節(jié)點(diǎn)發(fā)送波形，圖 3為RS-485總線接6個(gè)保護(hù)電路的示意圖，每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離在30cm左右，使用雙絞線手拉手連接，圖 4和圖 5分別為在總線上接6個(gè)圖 1所示電路的波形測(cè)試點(diǎn)1和波形測(cè)試點(diǎn)6（圖 3中標(biāo)注的位置）的波形，波形的上升/下降時(shí)間變長(zhǎng)，并且波形測(cè)試點(diǎn)1波形變成了臺(tái)階形狀。
圖 2 RSM485ECHT單節(jié)點(diǎn)RS-485接口差分波形
圖 3 總線接6個(gè)保護(hù)電路連接示意圖
圖 4 RSM485ECHT接6個(gè)保護(hù)電路波形測(cè)試點(diǎn)1波形
圖 5 RSM485ECHT接6個(gè)保護(hù)電路波形測(cè)試點(diǎn)6波形
RSM485ECHT的RS-485接口驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，如下為使用相同測(cè)試條件測(cè)試市場(chǎng)上常用的RS-485收發(fā)器芯片測(cè)試波形，可以看出其波形已被嚴(yán)重干擾，且反射波形已到達(dá)RS-485芯片門限電平附近，有可能引起通信異常。因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)選擇驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)的收發(fā)器。
圖 6 某RS-485收發(fā)器接6個(gè)保護(hù)電路波形測(cè)試點(diǎn)1波形 圖 7 某RS-485收發(fā)器接6個(gè)保護(hù)電路波形測(cè)試點(diǎn)6波形
低結(jié)電容保護(hù)電路當(dāng)通信節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，可以使用如圖 8所示保護(hù)電路，其A-RGND或B-RGND的結(jié)電容僅為20pF，雖然TVS結(jié)電容較大，但普通二極管結(jié)電容非常小，TVS與普通二極管的結(jié)電容為串聯(lián)關(guān)系，因此可以減小保護(hù)電路的結(jié)電容。使用圖 8進(jìn)行圖 3所示的組網(wǎng)，測(cè)試點(diǎn)1的波形如圖 9所示，測(cè)試點(diǎn)6波形如圖 10所示，波形基本未發(fā)生變化。
圖 8 保護(hù)電路2（低結(jié)電容）
圖 9 RSM485ECHT接6個(gè)保護(hù)電路2波形測(cè)試點(diǎn)1波形
圖 10 RSM485ECHT接6個(gè)保護(hù)電路2波形測(cè)試點(diǎn)6波形
總結(jié)總線上掛載的保護(hù)電路會(huì)使信號(hào)受到的瞬時(shí)阻抗發(fā)生變化，導(dǎo)致信號(hào)反射，當(dāng)總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，總線的電容量較大，會(huì)對(duì)總線波形造成干擾，影響通信信號(hào)質(zhì)量，因此為減小保護(hù)電路對(duì)總線通信的影響，在實(shí)際應(yīng)用可以選擇驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)的收發(fā)器，并且保護(hù)電路若使用圖 1所示保護(hù)電路，應(yīng)選擇低結(jié)電容TVS，也可選擇使用如圖 8所示的低結(jié)電容保護(hù)電路。
致遠(yuǎn)電子作為國(guó)內(nèi)總線隔離領(lǐng)導(dǎo)品牌，經(jīng)過二十年的技術(shù)積累，面向新能源以及工業(yè)領(lǐng)域推出RSM系列隔離收發(fā)器。RSM系列產(chǎn)品能有效解決總線干擾、通信異常等問題。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比， RSM系列產(chǎn)品內(nèi)置完整的隔離DC-DC電路、信號(hào)隔離電路、RS-485總線收發(fā)電路以及總線防護(hù)電路，具備高集成度與可靠性，能夠有效幫助用戶提升總線通信防護(hù)等級(jí)。
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波特率支持：500Kbps，115.2Kbps，9.6Kbps等；
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節(jié)點(diǎn)數(shù)量：256個(gè)、128個(gè)、32個(gè)等；
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通道數(shù)量：?jiǎn)温贰㈦p路、四路等；
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工作溫度：-40~85℃或-40~105℃；
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隔離電壓：2500VDC或3500VDC；
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Mini小體積或標(biāo)準(zhǔn)模塊化封裝；
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外殼及灌封材料符合UL94 V-0標(biāo)準(zhǔn)；
- 具有低電磁輻射和高抗電磁干擾性。
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