Isolierte RS-485-Transceiver
Isolation mit GMR-Technik
Der neue RS-485-Isolator von Renesas Electronics kombiniert die Isolator- und Transceiver-Funktion auf einem einzigen Chip. Doch die dabei verwendete GMR-Technik bietet noch weitere Vorteile.
Die Isolation verhindert einen Stromfluss zwischen zwei kommunizierenden Punkten – dabei ist jedoch eine Übertragung von Daten und Leistungssignalen möglich. Zudem verhindert Isolation die Beschädigung empfindlicher elektrischer Komponenten und die Verletzung von Menschen durch hohe Spannungen. Weiterhin verhindert sie Masseschleifen bei Kommunikations-verbindungen mit großen Masse-Potenzialdifferenzen und sichert damit die Integrität von Signalen.
In den vergangenen zehn Jahren haben sich die gesetzlichen Bestimmungen geändert und erfordern nun, dass in Maschinen und Geräten zum Einsatz in rauen Umgebungen eine Isolierung für die Datenübertragungssysteme implementiert wird. Dementsprechend führte die Entwicklung weg von herkömmlichen, isolierten Einkanal-Systemen hin zu Anwendungen mit Mehrkanal-Isolierung, was die Einführung neuer Isolations-Komponenten zur Folge hatte. Bei vielen dieser Anwendungen geht es um Datenkommunikation in Telekommunikations- und Industrienetzen, medizinischen Systemen, Sensorschnittstellen, Motorsteuerungs- und Antriebssystemen sowie Messgeräten.
Isolierte digitale und RS-485-konforme Schnittstellen sind der Branchenstandard für die Datenübertragung. Der Beitrag gibt einen Überblick über die Definition des Gleichtaktspannungsbereichs und erläutert, wie sich durch eine Isolation der Transceiver-Signal- und -Stromversorgungspfade von der lokalen Controllerschaltung Toleranz gegenüber hohen Gleichtaktspannungen erzielen lässt. Abschließend wird ein neuer RS-485-Isolator auf der Basis der GMR-Technologie (Giant Magnetoresistance) vorgestellt und dessen Vorteile im Vergleich zu anderen Isolationstechniken erläutert.
Gleichtaktspannungsbereich
Der RS-485-Standard spezifiziert einen Gleichtaktspannungsbereich von -7 V bis +12 V. Bild 1 zeigt diesen Bereich einschließlich der Gleichtaktspannung Uoc des Ausgangstreibers, der Masse-Potenzialdifferenz GPD zwischen den Massepunkten von Treiber und Empfänger sowie der längsgekoppelten Störspannung UN.
Der Treiber ist zur Erzeugung eines symmetrischen, differenziellen Ausgangssignals UD um eine Gleich-taktkomponente von UCM = UCC/2 ausgelegt, sodass die Leitungsspannung an einem Ausgang UA = UCC/2 ± UD/2 beträgt. Gleichzeitig beträgt die Spannung am komplementären Ausgang UB = UCC/2 ± UD/2. Der Receiver ist so konzipiert, dass er ausschließlich differenzielle Signale innerhalb des spezifizierten Gleichtaktspannungsbereichs verarbeitet und sämtliche Gleichtaktkomponenten unterdrücken kann.
Erreicht wird das durch einen internen Spannungsteiler, der gleichermaßen Gleichtakt- als auch differenzielle Signale abschwächt (Bild 2). Der nachfolgende differenzielle Komparator macht den Unterschied zwischen den beiden abgeschwächten Eingangssignalen, indem er nur die differenzielle Komponente verstärkt.
Da die Spannungsteiler den Gleichtaktwiderständen RCM zwischen jedem Receiver-Eingang und der Receiver-Masse entsprechen, fällt die gesamte Gleichtakt-spannung der Datenverbindung über diese Widerstände ab. Bei einem gängigen Transceiver muss der Receiver daher die differenziellen Eingangsspannungen über den gesamten Gleichtaktspannungsbereich von -7 V bis +12 V richtig erkennen.
Um höhere Gleichtaktspannungen UCM von etwa ±25 V tolerieren zu können, wurden die Transceiver-Bus-I/O-Stufen modifiziert, sodass die Treiber-Ausgangstransistoren eine höhere Stand-off-Sperrspannung und die Eingangsspannungsteiler ein höheres Teilungsverhältnis haben, was möglicherweise höhere Widerstandswerte erfordert. Zum Schutz vor sehr hohen Gleichtaktspannungen – im Bereich von mehreren 100 V – sind zusätzlich Barrieren zur galvanischen Trennung zu implementieren, die hohe Spannungen von den Busanschlüssen des Empfängers fernhalten.
Isolation erweitert Gleichtaktspannungsbereich
Bild 3 zeigt das Beispiel einer isolierten Datenverbindung, bei der nur der Receiver von seinem lokalen Controller isoliert ist. Eine richtige galvanische Isolation muss sowohl die Versorgungsspannung als auch die Datenleitungen umfassen. Was die Ports der Versorgungsspannung betrifft, setzt ein isolierter Gleichstromwandler die massebezogenen Versorgungsleitungen des Mikrocontrollers UCC2 und GND2 in isolierte und potenzialfreie Versorgungsleitungen UCC2-ISO und GND2-ISO für den Transceiver um. Die Isolation des Datenpfads erfolgt über einen digitalen Signaltrenner (ISO).
Dabei wird die Bus-Seite des Isolators über UCC2-ISO und GND2-ISO versorgt, während die Controller-Seite des Isolators ihre Versorgungsspannung von UCC2 und GND2 bezieht. Da Strom immer zu seiner Quelle zurückfließt, gibt es keine Interaktion zwischen den isolierten Versorgungsleitungen des Receivers und den nicht-isolierten Versorgungsleitungen des Treibers.
Bild 3 zeigt, dass die Massepotenzialdifferenz GPD zwischen den massebezogenen Punkten GND1 und GND2 ebenso wie die Gleichtaktspannung zwischen den zwei Signalleitern und GND2 bestehen bleibt. Die Isolationsbarriere hat die Receiver-Masse jedoch von GND2 entkoppelt und damit in den potenzialfreien Massepunkt GND2-ISO umgewandelt.
Bild 3 zeigt, dass die Massepotenzialdifferenz GPD zwischen den massebezogenen Punkten GND1 und GND2 ebenso wie die Gleichtaktspannung zwischen den zwei Signalleitern und GND2 bestehen bleibt. Die Isolationsbarriere hat die Receiver-Masse jedoch von GND2 entkoppelt und damit in den potenzialfreien Massepunkt GND2-ISO umgewandelt.
Bild 4 verdeutlicht das durch die Darstellung der Gleichtakt-Ersatzschaltung des isolierten Receiver-Knotens. Da der hohe Widerstand der Isolationsbarriere (RISO = 1014 Ω) in Reihe mit dem wesentlich geringeren Gleichtaktwiderstand des Empfängers (RCM = 105 Ω) geschaltet ist, fällt die gesamte UCM über RISO ab, wodurch der Gleichtakt auf den Empfänger (URcm = 0 V) keine Auswirkungen hat.
Außerdem folgt das GND2-ISO-Potenzial der Eingangsspannung des Empfängers, wodurch die maximale, auf die massebezogene Receiver-Eingangsspannung niemals den zulässigen Maximalwert überschreiten kann. Da VCC2-ISO zudem auf GND2-ISO bezogen ist, behält die Versorgungsspannung über den isolierten Receiver ihr korrektes Niveau unabhängig vom Wert der Gleichtaktspannung. Bild 3 und Bild 4 zeigen nur die Isolation für den Empfänger-(Rx)-Datenpfad.
Ein isolierter RS-485-Knoten (Bild 5) benötigt jedoch vier Kanäle zur Verarbeitung der Übertragungs- sowie Empfangs-Datenpfade und -signale. Um eine Massenschleife zu vermeiden, reicht es bei einer Point-to-Point-Verbindung aus, nur einen Knoten zu isolieren, wobei der andere Knoten nicht-isoliert bleiben kann. Bei Multi-Point-Datenverbindungen ist es jedoch gängige Praxis, jeden Busknoten zu isolieren. Das ermöglicht eine Wiederverwendung des Schaltkreisknoten-Designs und vereinfacht die Leiterplattenherstellung. Bild 6 zeigt das Beispiel eines isolierten Multi-Point-Busses.
- Isolation mit GMR-Technik
- Vorteile der GMR-Isolatoren
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