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新能源領(lǐng)域中的多節(jié)點RS-485總線保護電路應(yīng)用

發(fā)布時間:2021-08-02 來源:ZLG致遠電子 責任編輯:wenwei

【導讀】隨著“碳中和”概念普及,光伏、風力、儲能等行業(yè)再度迎來風口。而作為這些行業(yè)的常用通訊接口,RS-485往往需要添加保護電路來保障通訊穩(wěn)定,本文將為大家介紹一種多節(jié)點環(huán)境的保護電路方案。
 
“碳中和”是今年飽受熱議的話題,而實現(xiàn)“碳中和”的關(guān)鍵元素之一就是大力發(fā)展新能源。在未來我國生態(tài)文明建設(shè)中,新能源中許多細分行業(yè)都會對“碳中和”做出卓越貢獻。比如,光伏發(fā)電、風力發(fā)電、逆變儲能等一系列產(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電路來抵御高等級的靜電或浪涌帶來的影響,保障自身通訊穩(wěn)定。但工程師通常會使用氣體放電管和TVS管搭建防護電路,該電路的結(jié)電容較高,在節(jié)點數(shù)較多時將會影響總線通訊。針對此問題,本文將為大家介紹一種低結(jié)電容的外圍電路設(shè)計方案參考。
 
本文將重點介紹RS-485相關(guān)的總線保護電路方案。
 
常用RS-485保護電路
 
新能源領(lǐng)域中的多節(jié)點RS-485總線保護電路應(yīng)用
圖 1  保護電路1
 
如圖 1所示的保護電路,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的干擾,TVS進一步降低氣體放電管后的殘壓,從而保護后級電路。RSM485ECHT模塊應(yīng)用圖 1所示保護電路可以達到接觸靜電±8kV,共模浪涌±4kV,差模浪涌±2kV,滿足大部分工業(yè)現(xiàn)場對RS-485節(jié)點靜電和浪涌等級的要求。
 
圖 1所示保護電路雖然保護能力較強,但其結(jié)電容較大, A-RGND或B-RGND結(jié)電容為2.5nF左右,當總線上有較多節(jié)點均使用圖 1保護電路進行組網(wǎng)時,總線的電容量較大,信號反射以及信號邊沿趨于平緩使信號質(zhì)量變差,甚至會導致通信異常。
 
總線電容導致的信號反射問題
 
當信號在通信線上傳輸,到達RS-485節(jié)點上的保護電路時,保護電路的結(jié)電容使信號受到的瞬時阻抗發(fā)生變化,一部分信號將被反射,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)點發(fā)送波形,圖 3為RS-485總線接6個保護電路的示意圖,每個節(jié)點之間的距離在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個圖 1所示電路的波形測試點1和波形測試點6(圖 3中標注的位置)的波形,波形的上升/下降時間變長,并且波形測試點1波形變成了臺階形狀。  
 
新能源領(lǐng)域中的多節(jié)點RS-485總線保護電路應(yīng)用
圖 2  RSM485ECHT單節(jié)點RS-485接口差分波形
 
新能源領(lǐng)域中的多節(jié)點RS-485總線保護電路應(yīng)用
圖 3  總線接6個保護電路連接示意圖
 
新能源領(lǐng)域中的多節(jié)點RS-485總線保護電路應(yīng)用
圖 4  RSM485ECHT接6個保護電路波形測試點1波形
 
新能源領(lǐng)域中的多節(jié)點RS-485總線保護電路應(yīng)用
圖 5  RSM485ECHT接6個保護電路波形測試點6波形
 
RSM485ECHT的RS-485接口驅(qū)動能力較強,如下為使用相同測試條件測試市場上常用的RS-485收發(fā)器芯片測試波形,可以看出其波形已被嚴重干擾,且反射波形已到達RS-485芯片門限電平附近,有可能引起通信異常。因此在實際應(yīng)用中應(yīng)選擇驅(qū)動能力較強的收發(fā)器。
 
新能源領(lǐng)域中的多節(jié)點RS-485總線保護電路應(yīng)用
圖 6  某RS-485收發(fā)器接6個保護電路波形測試點1波形
 
新能源領(lǐng)域中的多節(jié)點RS-485總線保護電路應(yīng)用
圖 7  某RS-485收發(fā)器接6個保護電路波形測試點6波形
 
低結(jié)電容保護電路
 
當通信節(jié)點數(shù)較多,可以使用如圖 8所示保護電路,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,因此可以減小保護電路的結(jié)電容。使用圖 8進行圖 3所示的組網(wǎng),測試點1的波形如圖 9所示,測試點6波形如圖 10所示,波形基本未發(fā)生變化。
 
新能源領(lǐng)域中的多節(jié)點RS-485總線保護電路應(yīng)用
圖 8  保護電路2(低結(jié)電容)
 
新能源領(lǐng)域中的多節(jié)點RS-485總線保護電路應(yīng)用
圖 9  RSM485ECHT接6個保護電路2波形測試點1波形
 
新能源領(lǐng)域中的多節(jié)點RS-485總線保護電路應(yīng)用
圖 10  RSM485ECHT接6個保護電路2波形測試點6波形
 
總結(jié)
 
總線上掛載的保護電路會使信號受到的瞬時阻抗發(fā)生變化,導致信號反射,當總線上的節(jié)點數(shù)較多,總線的電容量較大,會對總線波形造成干擾,影響通信信號質(zhì)量,因此為減小保護電路對總線通信的影響,在實際應(yīng)用可以選擇驅(qū)動能力較強的收發(fā)器,并且保護電路若使用圖 1所示保護電路,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)電容保護電路。
 
致遠電子作為國內(nèi)總線隔離領(lǐng)導品牌,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)計相比, RSM系列產(chǎn)品內(nèi)置完整的隔離DC-DC電路、信號隔離電路、RS-485總線收發(fā)電路以及總線防護電路,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等級。
 
新能源領(lǐng)域中的多節(jié)點RS-485總線保護電路應(yīng)用
 
●    波特率支持:500Kbps,115.2Kbps,9.6Kbps等;
●    節(jié)點數(shù)量:256個、128個、32個等;
●    通道數(shù)量:單路、雙路、四路等;
●    工作溫度:-40~85℃或-40~105℃;
●    隔離電壓:2500VDC或3500VDC;
●    Mini小體積或標準模塊化封裝;
●    外殼及灌封材料符合UL94 V-0標準;
●    具有低電磁輻射和高抗電磁干擾性。
 
 
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