Intersil (2.Teil) Ein Tutorial über RS-485-Transceiver

In diesem Teil wird der ESD-Schutz untersucht, das Human-Body-Model (HBM) mit dem IEC61000-4-2 (IEC) Standard verglichen, Transceiver mit integriertem Überspannungsschutz und Leitungsinvertierungsfunktion beschrieben und ein Einblick in schnelle Transceiver (>25 MBit/s) gegeben.

Neuere Transceiver-Bausteine bieten einen verbesserten ESD-Schutz an den Busanschlüssen, die typischerweise mit freiliegenden Anschlüssen an der Außenseite von Geräten verbunden sind. Damit sind sie elektrostatischen Entladungen ausgesetzt, und der Anschluss eines »aufgeladenen« Schnittstellenkabels kann einen ungeschützten Transceiver beschädigen.

Der ESD-Schutz für Busanschlüsse ist durch einen von zwei Standards spezifiziert: durch das bekannte Human Body Model (HBM), wie es in den USA gängig ist, und durch den IEC61000-4-2-Standard, der in Europa, und zunehmend auch weltweit, angewendet wird. Der HBM-Test emuliert ESD-Ereignisse, die während der Bausteinfertigung auftreten. Der IEC-ESD-Test ist ein Endgerätetest, der Geräte für ESD-Ereignisse im Feld abhärten soll. Der IEC-ESD-Standard umfasst zwei Testmethoden: eine Kontakt-Methode (wie HBM) und eine Luftspalt-Methode. Bei letzterer wird eine geladene Elektrode in die Nähe des zu testenden Anschlusses gebracht bis sich die Spannung über den Luftspalt zum Pin entlädt. Bei der Kontakt-Methode berührt die Elektrode den zu testenden Anschluss bereits vor dem Aufladen der Elektrode.

Unterschiede zwischen HBM und IEC61000

Die größten Unterschiede zwischen HBM und IEC61000 sind die Bauteilwerte im Entlade-Netzwerk (siehe Grafik). Bei IEC61000-4-2 ist der Entlade-Kondensator um 50 Prozent größer und der in Serie geschaltete Strombegrenzungswiderstand beträgt 330 Ω statt 1,5 kΩ. Der geringere Widerstandswert erhöht den Spitzen-ESD-Strom um den Faktor 5, was zu einem wesentlich härteren ESD-Test führt.
Die Tabelle zeigt die wichtigsten Unterschiede zwischen dem IEC-ESD-Modell und dem Human Body Model. Bei IEC ist jeder Parameter strenger ausgelegt. Neben dem fast 5-fach höheren Spitzenstrom, ist auch die Anstiegsgeschwindigkeit deutlich höher, so dass der Schutzschaltkreis wesentlich schneller reagieren muss. Die gesamte Pulsenergie wird in weniger als der halben Zeit an das IC übertragen. Bei IEC sind außerdem zehn ESD-Pulse anstelle von drei notwendig.

Es gibt drei Klassifizierungen für HBM und vier für IEC ESD. Der spezielle ESD-Aufbau in neueren Transceivern erfüllt die höchsten Anforderungen für beide Standards. Der Aufbau schützt das IC im aktiven und inaktiven Zustand, ohne den RS-485 Gleichtakt-Bereich von -7 bis +12 V zu beeinflussen. Schnittstellen-ICs, die mit ESD-Schutz nach IEC61000 ausgestattet sind, sparen Zeit und Kosten, indem sie externen ESD- Schutz auf Leiterplattenebene erübrigen und die Zahl an Rückläufern aufgrund von ESD-Schäden minimieren.

Neuere Transceiver mit großer differenzieller Ausgangsspannung (VOD)

Einige Standards (wie Profibus DP) verwenden RS-485 für den physikalischen Layer (PHY), erfordern aber eine größere Treiber-Ausgangsspannung von VOD = 2,1 V, um eine bessere Treiberfähigkeit und Rauschunempfindlichkeit zu erzielen. Die mit 5 V betriebene ISL3150E-Serie von Intersil bietet eine VOD von mindestens 2,4 V, was eine um 900 mV höhere Störfestigkeit als bei Standard-RS-485-ICs garantiert. Der 40 MBit/s-ISL3159E bietet mindestens 2,1 V. Mit der höheren VOD können diese Transceiver mehr als die zwei im RS-485-Standard vorgeschriebenen Abschlusswiderstände treiben. ISL315XE-Treiber können die RS-485-vorgegebene VOD (1,5 V) für sechs bis acht Abschlusswiderstände bereitstellen (dem Drei- bis Vierfachen des RS-485-Standards). Damit eignen sie sich für Stern- und andere nicht-standardgemäße Netzwerke, die mehr als zwei Leitungsabschlüsse benötigen.