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ADM2682E/ADM2687E帶±15kv ESD保護的5kv rms信號和功率隔離RS-485收發器

時間:2020-1-16, 來源:互聯網, 文章類別:元器件知識庫

特征

5kV rms隔離RS-485/RS-422收發器,可配置為;半雙工或全雙工;等功率集成隔離dc-dc變換器;RS-485輸入/輸出引腳的ESD保護;符合ANSI/TIA/EIA-485-A-98和ISO 8482-1987(E);數據速率:16 Mbps(ADM2682E)、500 kbps(ADM2687E);5 V或3.3 V操作;在一條總線上最多連接256個節點;開路和短路,故障保護接收器輸入;高共模瞬態抗擾度:>25kv/m;熱停堆保護;安全和監管批準;UL認可;每UL 1577一分鐘5000 V rms;CSA部件驗收單-35;5A(待定);IEC 60601-1:400 V rms(基本),250 V rms(加強);IEC 60950-1:600 V rms(基本),380 V rms(加強);VDE合格證書;德國工業標準V VDE V 0884-10(VDE V 0884-10):2006-12;VIORM=846V峰值;工作溫度范圍:40oC至85oC;16引線寬體SOIC,爬電和間隙大于8 mm。

應用

隔離的RS-485/RS-422接口;工業現場網絡;多點數據傳輸系統。

一般說明

ADM2682E/ADM2687E完全集成了5千伏rms信號和帶有±15千伏靜電放電保護的功率隔離數據收發器,適用于多點傳輸線上的高速通信。ADM2682E/ADM2687E包括集成的5千伏rms隔離直流-直流電源,無需外部直流-直流隔離塊。它們設計用于平衡傳輸線,并符合ANSI/TIA/EIA-485-A-98和ISO 8482:1987(E)的要求。

這些設備集成了Analog devices,Inc.,iCoupler®技術,將一個3通道隔離器、一個三態差分線路驅動器、一個差分輸入接收器和模擬設備isoPower®dc-dc轉換器組合成一個單獨的封裝。該裝置由單一的5v或3.3v電源供電,實現了完全集成的信號和電源隔離的RS-485解決方案。

ADM2682E/ADM2687E驅動程序具有活動的高啟用。還提供有源低接收器使能,這使得接收器輸出在禁用時進入高阻抗狀態。這些設備具有限流和熱關機功能,以防止輸出短路和總線爭用可能導致過度功耗的情況。這些部件在工業溫度范圍內完全指定,可在高度集成的16引線寬體SOIC封裝中使用,爬電和間隙大于8 mm。

ADM2682E/ADM2687E包含使用高頻開關元件通過變壓器傳輸功率的等功率技術。在印刷電路板(PCB)布局過程中必須特別小心,以滿足排放標準。有關電路板布局注意事項的詳細信息,請參閱AN-0971應用說明,用等功率設備控制輻射發射。

典型性能特征

測試電路

開關特性

電路說明

信號隔離

ADM2682E/ADM2687E信號隔離為5kV rms,在接口的邏輯端實現。該部分通過具有數字隔離部分和收發器部分來實現信號隔離(參見圖1)。應用于TxD和DE引腳并參考邏輯接地(GND)的數據通過隔離屏障耦合,以出現在參考隔離接地(GND)的收發器部分。類似地,參考收發器部分中的隔離接地的單端接收器輸出信號耦合穿過隔離屏障以出現在參考邏輯接地的RxD管腳處。

電源隔離

ADM2682E/ADM2687E采用等功率集成隔離dc-dc變換器實現了5kV rms的功率隔離。ADM2682E/ADM2687E的直流-直流轉換器部分工作原理與大多數現代電源設備相同。它是一種具有隔離脈沖寬度調制(PWM)反饋的二次側控制器結構。為振蕩電路提供V電源,振蕩電路將電流轉換成芯片級空心變壓器。傳輸至二次側的功率被整流并調節至3.3 V。二次側(VISO)控制器通過創建由專用ICouper(5 kV rms信號隔離)數據通道發送至一次側(VCC)的PWM控制信號來調節輸出。PWM調制振蕩器電路,以控制發送到二次側的功率。反饋可以顯著提高功率和效率。

真值表

本節中的真值表使用表11中的縮寫。

熱關機

ADM2682E/ADM2687E包含熱關機電路,可在故障情況下防止部件過度功耗。將驅動器輸出短路到低阻抗源可能導致高驅動器電流。在這種情況下,熱傳感電路檢測模具溫度的升高,并禁用驅動器輸出。此電路設計用于在模具溫度達到150°C時禁用驅動器輸出。隨著設備冷卻,驅動器將在140°C的溫度下重新啟用。

開路和短路,故障保護接收器輸入

接收器輸入具有開路和短路、故障保護功能,確保輸入開路或短路時接收器輸出高。在線路空閑條件下,當總線上沒有驅動器被啟用時,接收器輸入端的端接電阻上的電壓衰減到0V。使用傳統收發器,在-200 mV和+200 mV之間指定的接收器輸入閾值意味著A和B引腳上需要外部偏置電阻,以確保接收器輸出處于已知狀態。短路、故障保護接收器輸入特性通過指定接收器輸入閾值在-30 mV和-200 mV之間,消除了對偏置電阻的需要。保證負閾值意味著當A和B之間的電壓衰減到0v時,接收機輸出保證為高。

直流正確性和磁場抗擾度

數字信號通過隔離柵通過ICouper技術傳輸。這種技術使用芯片級變壓器繞組將數字信號從隔離柵的一側磁耦合到另一側。數字輸入被編碼成能夠激勵主變壓器繞組的波形。在二次繞組處,感應波形被解碼成最初傳輸的二進制值。

隔離器輸入端的正負邏輯轉換導致窄脈沖(約1ns)通過變壓器發送到解碼器。解碼器是雙穩態的,因此可以通過脈沖進行設置或重置,指示輸入邏輯轉換。在輸入端沒有超過1μs的邏輯轉換的情況下,發送指示正確輸入狀態的周期性刷新脈沖組,以確保輸出端的dc正確性。如果解碼器不接收大于約5μs的內部脈沖,則假定輸入端為無電源或無功能,在這種情況下,隔離器輸出被看門狗定時器電路強制為默認狀態。

這種情況應僅在ADM2682E/ADM2687E設備通電和斷電操作期間發生。ADM2682E/ADM2687E磁場抗擾度的限制是由變壓器接收線圈中的感應電壓足夠大以錯誤設置或重置解碼器的條件設置的。以下分析定義了發生這種情況的條件。

檢查ADM2682E/ADM2687E的3.3V工作條件,因為它代表最易受影響的工作模式。變壓器輸出處的脈沖振幅大于1.0v。解碼器的感應閾值約為0.5v,從而建立了0.5v的裕度,在該裕度中可以容忍感應電壓。通過接收線圈感應的電壓由:

其中:β是磁通密度(高斯)。N是接收線圈的匝數。rn是接收線圈第n圈的半徑(cm)。

考慮到在ADM2682E/ADM268E中的接收線圈的幾何結構,并且在解碼器中施加的感應電壓至多是0.5 V余量的50%,最大允許磁場被計算,如圖39所示。

例如,在1 MHz的磁場頻率下,0.2千高斯的最大允許磁場在接收線圈上感應出0.25伏的電壓。這大約是感應閾值的50%,不會導致錯誤的輸出轉換。類似地,如果這樣的事件發生在發送脈沖期間(并且具有最壞的極性),則它將接收脈沖從>1.0v降低到0.75v,這仍然遠遠高于解碼器的0.5v感測閾值。

上述磁通密度值對應于距離ADM2682E/ADM2687E變壓器給定距離處的特定電流幅值。圖40將這些允許的電流幅值表示為選定距離的頻率函數。如圖40所示,ADM2682E/ADM2687E具有極強的免疫性,并且只能受到在非常靠近組件的高頻下工作的極大電流的影響。對于1 MHz示例,必須將0.5 kA電流置于距離ADM2682E/ADM2687E 5 mm的位置,以影響組件操作。

ADM2682E/ADM2687E指出,在強磁場和高頻的組合下,由PCB線路形成的任何環路都會產生足夠大的錯誤電壓,從而觸發后續電路的閾值。注意這些痕跡的布局以避免這種可能性。

應用程序信息

印刷電路板布局

ADM2682E/ADM2687E隔離RS-422/RS-485收發器包含一個等功率集成dc-dc轉換器,邏輯接口無需外部接口電路。輸入和輸出電源引腳處需要電源旁路(見圖41)。ADM2682E/ADM2687E的電源部分使用180兆赫的振蕩器頻率,以有效地將電源通過其芯片級變壓器。此外,iCoupler數據部分的正常工作會在電源引腳上引入開關瞬態。

幾個工作頻率需要旁路電容器。噪聲抑制需要一個低電感、高頻電容器,而紋波抑制和適當的調節則需要一個大值電容器。這些電容器連接在VCC的引腳1(GND)和引腳2(VCC)以及引腳7(VCC)和引腳8(GND1)之間。VISOIN和VISOOUT電容器連接在引腳9(GND2)和引腳10(VISOOUT)以及引腳15(VISOIN)和引腳16(GND2)之間。為了抑制噪聲和減少紋波,至少需要兩個電容器的并聯組合,兩個電容器中較小的一個位于離器件最近的位置。對于VISOOUT在針腳9和針腳10處,VCC在針腳7和針腳8處。對于針腳15和針腳16處的VISOIN以及針腳1和針腳2處的VCC,建議使用0.01μF和0.1μF的電容值。推薦的最佳實踐是使用一個非常低電感陶瓷電容器,或其等效物,為較小的價值電容器。電容器兩端與輸入電源引腳之間的導線總長度不應超過10 mm。

在涉及高共模瞬態的應用中,確保隔震屏障上的板耦合最小化。此外,設計電路板布局,使任何發生的耦合同樣影響給定組件側的所有管腳。未能確保這可能導致引腳之間的電壓差超過設備的絕對最大額定值,從而導致閂鎖和/或永久性損壞。

ADM2682E/ADM268E在滿負荷時消耗大約675兆瓦的功率。因為不可能將散熱器應用到隔離設備上,所以這些設備主要依賴于通過GND引腳向PCB散熱。如果設備在高環境溫度下使用,請提供從接地引腳到PCB接地平面的熱路徑。圖41中的電路板布局顯示了針1、針8、針9和針16的放大焊盤。實現從焊盤到地平面的多個通孔,顯著降低芯片內部的溫度。膨脹墊的尺寸由設計師決定,并取決于可用的板空間。

電磁干擾考慮因素

ADM2682E/ADM2687E組件的直流-直流轉換器部分必須在非常高的頻率下工作,以便通過小型變壓器進行有效的功率傳輸。這會產生高頻電流,這些電流可以在電路板接地平面和電源平面中傳播,導致邊緣和偶極子輻射。對于使用這些設備的應用程序,建議使用接地機柜。如果不可能接地外殼,則在PCB的布局中應遵循良好的射頻設計實踐。有關更多信息,請參閱AN-0971應用說明,使用等功率設備控制輻射發射。

絕緣壽命

在足夠長的時間內,當受到電壓應力時,所有的絕緣結構最終都會崩潰。絕緣劣化率取決于施加在絕緣上的電壓波形的特性。模擬設備進行一系列廣泛的評估,以確定ADM2682E/ADM2687E中絕緣結構的壽命。

使用高于額定連續工作電壓的電壓水平進行加速壽命試驗。確定了幾種工作條件下的加速系數,從而可以計算出相關工作電壓下的故障時間。表9所示數值總結了在幾種運行條件下50年使用壽命的峰值電壓。在許多情況下,機構測試認可的工作電壓高于50年使用壽命電壓。在高于所列使用壽命電壓的工作電壓下工作會導致過早的絕緣失效。

ADM2682E/ADM2687E的絕緣壽命取決于施加在隔離柵上的電壓波形類型。根據波形是雙極交流電、單極交流電還是直流電,I耦合器的絕緣結構會以不同的速率退化。圖42、圖43和圖44說明了這些不同的隔離電壓波形。

雙極性交流電壓是最苛刻的環境。雙極交流條件下50年的運行壽命決定了模擬器件推薦的最大工作電壓。

在單極交流或直流電壓的情況下,絕緣上的應力顯著降低。這允許在更高的工作電壓下工作,同時仍能達到50年的使用壽命。只要電壓符合單極交流或直流電壓情況,表9中列出的工作電壓可在保持50年最低壽命的同時施加。任何不符合圖43或圖44的交叉絕緣電壓波形應視為雙極交流波形,其峰值電壓應限制在表9所列的50年壽命電壓值內。

隔離供電注意事項

集成等功率直流至直流隔離電源的典型輸出電壓為3.3 V。當設備的連接溫度保持在130°C以下時,ADM2682E/ADM2687E中的隔離電源通常能夠提供55毫安的電流。這包括內部RS-485電路所需的電流,通常,VISOOUT上沒有用于外部應用的附加電流。

典型應用

ADM2682E/ADM2687E用于全雙工RS-485節點的示例應用如圖45的電路圖所示。有關此電路圖中所示電容器的建議位置,請參閱PCB布局部分。R端接電阻器的位置取決于節點的位置和網絡配置。有關終止指南,請參閱AN-960應用說明。TRS-485/RS-422電路實施指南圖46和圖47顯示了半雙工和全雙工RS-485網絡配置中的ADM2682E/ADM2687E。最多可將256個收發器連接到RS-485總線。為了盡量減少反射,在接收端以其特性阻抗終止線路,并使短截線盡可能短。對于半雙工操作,這意味著線路的兩端必須終止,因為任何一端都可以是接收端。

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