摘要：文章介紹一種隔離供電專用器件MAX253，闡明了隔離供電技術(shù)應(yīng)用的原因、原理。并結(jié)合惡劣環(huán)境下串行通信接口RS-485的應(yīng)用，詳細闡述了隔離型數(shù)據(jù)接口在抗惡劣環(huán)境下的應(yīng)用原理及實用技巧。
關(guān)鍵詞：隔離供電；串行通信接口；隔離型數(shù)據(jù)接口

0 概述
    眾所周知，在惡劣環(huán)境下，且對通信質(zhì)量的要求較高時，為確保信息在通信過程中的質(zhì)量，降低誤碼率，人們通常都要采用隔離技術(shù)。這種隔離不僅包括通信線路隔離，而且還包括供電系統(tǒng)的隔離。這里僅就解決供電系統(tǒng)的隔離機理和方法進行探討。
    所謂供電系統(tǒng)的隔離就是將來自供電系統(tǒng)的干擾排除或消化在輸入電路之前(如可以將其轉(zhuǎn)變成電流信號，然后轉(zhuǎn)化成熱量消耗掉)，從而達到保證通信信息質(zhì)量的目的。
    電源本身的通／斷、電壓波動、強的環(huán)境噪聲等都會形成供電系統(tǒng)的干擾，其形式表現(xiàn)為在線脈沖。試驗結(jié)果表明，一個峰值為30A的ESD(靜電放電)脈沖在地線上會產(chǎn)生幾十毫伏的電阻壓降，但是它陡峭的上升時間(30A／ns)可以在同樣的線路上(假設(shè)線電感為1nH／cm)產(chǎn)生高達幾百伏的感應(yīng)電壓，這足以導(dǎo)致錯誤數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，如此高的頻率將產(chǎn)生集膚效應(yīng)，使線電阻顯著增加。為了抵消這種效應(yīng)，需要采用大面積接地以獲得低阻特性。此外，快速上升脈沖將產(chǎn)生FTB(快速瞬變)和ESD干擾，通過電容耦合到低噪聲區(qū)域。在解決這個問題時，經(jīng)常有人錯誤地在主電源變壓器上增加額外的繞組來提供一個隔離的電源，這種方法只能導(dǎo)致干擾進一步擴散，使整個電路受到影響。
    由于信號電路無法承受千伏級電壓，這種干擾可以被地回路電流引入接口并流過整個電路，一般需要電流隔離。在連接線較長或地回路電流較大的上業(yè)系統(tǒng)中，隔離是一種行之有效的辦法。
    專用隔離供電芯片MAX253與串行通信接口RS485配套使用，可為RS485隔離數(shù)據(jù)通信接口提供良好的隔離電源，使其工作更加穩(wěn)定可靠。

1 隔離供電專用器件MAX253簡介
    MAX253是一種集振蕩器／電源一驅(qū)動器于一體的單片集成開關(guān)電源器件。其內(nèi)部主要由一個CMOS震蕩器與一個N溝道功率開關(guān)管組成，振蕩器具有可供選擇的兩個振蕩頻率以便提供兩種不同的供電電流，振蕩器再驅(qū)動觸發(fā)器產(chǎn)生占空比50％的方波加到功率開關(guān)管，使兩個開關(guān)管交替工作，并且由于存在內(nèi)部延遲而使一個功率開關(guān)管關(guān)斷前另一個功率開關(guān)管已經(jīng)導(dǎo)通。它的輸出端連接具有中心抽頭的變壓器原邊，該抽頭連接+5V或+3．3V電源，變壓器的副邊即可提供所需的隔離電源，功率可達1瓦的5V電壓，或者0．6瓦的3．3V電壓。MAX253的工作原理如圖1，芯片引腳封裝定義如圖2所示。

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    芯片MAX253的每個引腳信號具體邏輯功能見表1。

     MAX253采用驅(qū)動器構(gòu)成前向電壓轉(zhuǎn)換器，提供隔離電壓，封裝尺寸小，可提供有效的噪聲屏障。微型變壓器要求耦合電容低于10pF、功率1瓦、隔離電壓為1kV。它構(gòu)成了一種低成本的解決供電系統(tǒng)的隔離方案。

2 串行數(shù)據(jù)接口標準RS-485簡介
    串行數(shù)據(jù)接口標準在軍品和民品有著廣泛的應(yīng)用，典型的有RS-232、RS-422、RS-485等。其中RS-485標準是RS-422標準的改進版本，由于技術(shù)更加先進，其應(yīng)用將更加廣泛。
    RS-485使用單一的+5V或+3V的電源，具有傳輸距離遠、通信可靠的優(yōu)點，其邏輯電平可與傳統(tǒng)的TTL電平兼容。它對傳輸介質(zhì)物理層無嚴格要求，僅需將普通雙絞線捆綁在一起即可簡便組網(wǎng)。除點對點、廣播通信方式外，RS-485還具有多點通信方式。在多點通信方式中，通常使用一個設(shè)備作為主站，其余為從站，當主站發(fā)數(shù)據(jù)的時候，在數(shù)據(jù)串中嵌入從站固有的ID識別碼，從而實現(xiàn)主站與任一從站之間的數(shù)據(jù)通信。如果不帶從站識別碼則可面向所有從站實現(xiàn)廣播通信。
     MAX481E是RS-485的標準接口器件，使用單一+5V供電，內(nèi)含一個發(fā)送器與一個接收器。芯片每個引腳信號具體邏輯功能見表2。

    用MAX481E組網(wǎng)通信時，只需通過雙絞線將各節(jié)點的同名端捆綁在一起，或按總線型結(jié)構(gòu)并連接到沿途的雙絞線主總線上，需在線路的兩端各接一個120Ω的終端匹配電阻。器件本身有溫敏控制電路構(gòu)成的短路電流保護與過壓保護，在這兩種過載情況下，驅(qū)動器將處于高阻態(tài)，接收器的輸出保持為高電位。
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3 隔離型數(shù)據(jù)接口
    圖3是我們在實際電路設(shè)計中應(yīng)用的一種典型的隔離型RS-485數(shù)據(jù)接口電路。下面就其工作機理和使用技巧做進一步介紹。

    MAX667是一個穩(wěn)壓模塊，即低阻輸出的線性調(diào)壓器，它將MAX253輸出的電壓穩(wěn)定在+5V，使之成為一個恒壓源。通過變壓器與光耦的隔離和耦合作用，使得左右兩側(cè)的電源電路沒有任何電氣連接點，因而能承受有效值高達1800V的高壓沖擊。
這種設(shè)計適用于高壓、地電位差大、噪聲大的惡劣環(huán)境下使用。因此，對電路中所用的變壓器和光耦有嚴格的技術(shù)要求。
    為保障可靠的隔離，其虛線所指示的“隔離屏障”是不能破壞的，某一側(cè)的元件、連接點或連接線不能靠近另一側(cè)的元件、連接點或連接線。
    光耦器件能抑制各種尖脈沖及各種噪音等的干擾，從而在傳輸信息中大大提高信噪比。它的輸入阻抗都很低，而干擾源的內(nèi)阻一般都比較大，因此能饋送到光電耦合器件輸入端的干擾噪聲就比較小。雖然干擾源也能供給較大的干擾電壓，但可供出的能量卻很小，只能產(chǎn)生微弱的電流，因此即使是電壓幅值很高的干擾，由于沒有足夠的能量，不能使LED發(fā)光，從而也會被抑制掉。它的輸出是高阻抗的，因此布局時應(yīng)盡量靠近接口芯片，即盡量縮短光耦輸出腳與接口芯片引腳之間的連線，使得分布電容盡量小而有利于提高傳輸率。
    圖中所用的光耦是限制接口通信速率的主要因素，必須選用高速器件。接口速率的上限取決于器件本身的技術(shù)參數(shù)，單個通道的通常為10MB／s(光耦6N137)或1MB／s(光耦6N135)等。若用廉價的4N系列非線性光耦取代高價的6N137元件，其數(shù)據(jù)傳輸率也可達到9．6kb／s。
    圖中的電源實質(zhì)上都是一個DC-DC變換器，輸出波紋較大，如果在MAX253的輸出端增加兩個元件組成一個簡單的LC低通濾波器，則輸出波紋噪聲峰值可以減少到大約只有10mV。
    圖中的串行通信接口MAX481采用差分平衡方式傳送數(shù)據(jù)，對共模信號有很好的抑制作用。理論上講，A、B兩條線對地而言應(yīng)該是完全對稱的，但是我們在實際調(diào)試當中發(fā)現(xiàn)，當傳輸速度不高或傳輸距離不遠時，完全可以省掉地線，采用一對普通的雙絞線即可獲得滿意的效果。當周圍環(huán)境比較惡劣，傳輸速度很高或傳輸距離較遠時，應(yīng)使用帶屏蔽的雙絞線電纜，屏蔽線作為地線，且在主站一端應(yīng)可靠接入大地，另一端則懸空。
    如果電纜兩端都接地，通常兩個地的“地電位”不可能完全相同，如果兩個地存在較大的“地電位差”，那么在屏蔽線中會形成電流而產(chǎn)生干擾。因此，另一端需要懸空。
    另一種解決方法是屏蔽線兩端都不直接接地，但是也不懸空，而是分別通過一個100 Ω／1W的限流電阻將屏蔽線接各自的公共地，即機殼地，這樣也可以抑制電流引入的干擾。
    我們知道發(fā)送驅(qū)動器的接收器節(jié)點數(shù)最多可達256個，數(shù)據(jù)傳輸速率可以從幾百kb／s到32Mb／s。由于串行通信接口節(jié)點數(shù)量較多，就需要考慮終端匹配的問題。終端匹配電阻的阻值理論上應(yīng)等于電纜的特性阻抗，這樣才能徹底抑制傳輸線終端形成的反射現(xiàn)象。但在實際使用過程中，難以達到完全匹配的效果。
    在調(diào)試使用過程中，當數(shù)據(jù)傳輸速率較低，傳輸線效應(yīng)不明顯時，不必接終端匹配電阻。接上還可能加重負載，使信號幅度明顯下降。當數(shù)據(jù)傳輸速率很高時，為了減小反射，應(yīng)連接終端匹配電阻。可使用以下方法進行調(diào)試。
    先連好網(wǎng)絡(luò)并做好通信的準備，再令主站以實際使用的波特率連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)55H，此時用示波器可測得通信線路上的方波，在接收端觀察波形，調(diào)整終端匹配電阻的大小直到獲得最佳波形為止。但有時會出現(xiàn)波形好，效果卻可能并不理想的情況，這種情況通常是波形幅值偏低造成的；雙絞線之間的波形幅值電壓應(yīng)不小于200mV，否則應(yīng)降低波特率或更換質(zhì)量更好的電纜。按上述方法調(diào)試，就能得到滿意的效果。

4 結(jié)束語
    隔離型數(shù)據(jù)接口電路設(shè)計保證了惡劣電磁環(huán)境下數(shù)據(jù)通訊的可靠性。它既對供電電路進行了隔離設(shè)計，保證了供電的穩(wěn)定性；又對數(shù)據(jù)接口采用了光耦隔離，有效提高了耐沖擊、抗干擾能力。在實際的使用中電路性能穩(wěn)定可靠，保障了產(chǎn)品在惡劣環(huán)境中工作正常。