新能源领域中的多节点RS-485总线保护电路应用

由 cathy 提交于周二, 3 八月 2021 - 09:27

随着“碳中和”概念普及，光伏、风力、储能等行业再度迎来风口。而作为这些行业的常用通讯接口，RS-485往往需要添加保护电路来保障通讯稳定，本文将为大家介绍一种多节点环境的保护电路方案。

“碳中和”是今年饱受热议的话题，而实现“碳中和”的关键元素之一就是大力发展新能源。在未来我国生态文明建设中，新能源中许多细分行业都会对“碳中和”做出卓越贡献。比如，光伏发电、风力发电、逆变储能等一系列产业将迎来蓬勃发展。

而作为新能源领域中设备间通讯的一种常用接口，RS-485总线在应用中经常需要添加外围保护电路来抵御高等级的静电或浪涌带来的影响，保障自身通讯稳定。但工程师通常会使用气体放电管和TVS管搭建防护电路，该电路的结电容较高，在节点数较多时将会影响总线通讯。针对此问题，本文将为大家介绍一种低结电容的外围电路设计方案参考。

本文将重点介绍RS-485相关的总线保护电路方案。

常用RS-485保护电路

如图1所示的保护电路，气体放电管将接口处的大部分浪涌电流泄放，共模电感滤除共模信号的干扰，TVS进一步降低气体放电管后的残压，从而保护后级电路。RSM485ECHT模块应用图1所示保护电路可以达到接触静电±8kV，共模浪涌±4kV，差模浪涌±2kV，满足大部分工业现场对RS-485节点静电和浪涌等级的要求。

图1所示保护电路虽然保护能力较强，但其结电容较大，A-RGND或B-RGND结电容为2.5nF左右，当总线上有较多节点均使用图1保护电路进行组网时，总线的电容量较大，信号反射以及信号边沿趋于平缓使信号质量变差，甚至会导致通信异常。

总线电容导致的信号反射问题

当信号在通信线上传输，到达RS-485节点上的保护电路时，保护电路的结电容使信号受到的瞬时阻抗发生变化，一部分信号将被反射，另一部分发生失真并继续传播下去。

图2所示为RSM485ECHT单节点发送波形，图3为RS-485总线接6个保护电路的示意图，每个节点之间的距离在30cm左右，使用双绞线手拉手连接，图4和图5分别为在总线上接6个图1所示电路的波形测试点1和波形测试点6（图3中标注的位置）的波形，波形的上升/下降时间变长，并且波形测试点1波形变成了台阶形状。

<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2021-08/wen_zhang_/100552205-214742-2.png&…; alt=“图 2 RSM485ECHT单节点RS-485接口差分波形"></center><center>图 2 RSM485ECHT单节点RS-485接口差分波形</center>
<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2021-08/wen_zhang_/100552205-214743-3.jpg&…; alt=“图 3 总线接6个保护电路连接示意图"></center><center>图 3 总线接6个保护电路连接示意图</center>
<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2021-08/wen_zhang_/100552205-214744-4.jpg&…; alt=“图 4 RSM485ECHT接6个保护电路波形测试点1波形"></center><center>图 4 RSM485ECHT接6个保护电路波形测试点1波形</center>
<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2021-08/wen_zhang_/100552205-214745-5.jpg&…; alt=“图 5 RSM485ECHT接6个保护电路波形测试点6波形"></center><center>图 5 RSM485ECHT接6个保护电路波形测试点6波形</center>

RSM485ECHT的RS-485接口驱动能力较强，如下为使用相同测试条件测试市场上常用的RS-485收发器芯片测试波形，可以看出其波形已被严重干扰，且反射波形已到达RS-485芯片门限电平附近，有可能引起通信异常。因此在实际应用中应选择驱动能力较强的收发器。

<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2021-08/wen_zhang_/100552205-214746-6.jpg&…; alt=“图 6 某RS-485收发器接6个保护电路波形测试点1波形"></center><center>图 6 某RS-485收发器接6个保护电路波形测试点1波形</center>
<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2021-08/wen_zhang_/100552205-214747-7.jpg&…; alt=“图 7 某RS-485收发器接6个保护电路波形测试点6波形"></center><center>图 7 某RS-485收发器接6个保护电路波形测试点6波形</center>

低结电容保护电路

当通信节点数较多，可以使用如图8所示保护电路，其A-RGND或B-RGND的结电容仅为20pF，虽然TVS结电容较大，但普通二极管结电容非常小，TVS与普通二极管的结电容为串联关系，因此可以减小保护电路的结电容。使用图8进行图3所示的组网，测试点1的波形如图9所示，测试点6波形如图10所示，波形基本未发生变化。

<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2021-08/wen_zhang_/100552205-214748-8.jpg&…; alt=“图 8 保护电路2（低结电容）"></center><center>图 8 保护电路2（低结电容）</center>
<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2021-08/wen_zhang_/100552205-214749-9.png&…; alt=“图 9 RSM485ECHT接6个保护电路2波形测试点1波形"></center><center>图 9 RSM485ECHT接6个保护电路2波形测试点1波形</center>
<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2021-08/wen_zhang_/100552205-214750-10.png…; alt=“图 10 RSM485ECHT接6个保护电路2波形测试点6波形"></center><center>图 10 RSM485ECHT接6个保护电路2波形测试点6波形</center>

总结

总线上挂载的保护电路会使信号受到的瞬时阻抗发生变化，导致信号反射，当总线上的节点数较多，总线的电容量较大，会对总线波形造成干扰，影响通信信号质量，因此为减小保护电路对总线通信的影响，在实际应用可以选择驱动能力较强的收发器，并且保护电路若使用图1所示保护电路，应选择低结电容TVS，也可选择使用如图8所示的低结电容保护电路。

致远电子作为国内总线隔离领导品牌，经过二十年的技术积累，面向新能源以及工业领域推出RSM系列隔离收发器。RSM系列产品能有效解决总线干扰、通信异常等问题。与传统的设计相比，RSM系列产品内置完整的隔离DC-DC电路、信号隔离电路、RS-485总线收发电路以及总线防护电路，具备高集成度与可靠性，能够有效帮助用户提升总线通信防护等级。

<ul>
<li>
波特率支持：500Kbps，115.2Kbps，9.6Kbps等；
</li>
<li>
节点数量：256个、128个、32个等；
</li>
<li>
通道数量：单路、双路、四路等；
</li>
<li>
工作温度：-40~85℃或-40~105℃；
</li>
<li>
隔离电压：2500VDC或3500VDC；
</li>
<li>
Mini小体积或标准模块化封装；
</li>
<li>
外壳及灌封材料符合UL94 V-0标准；
</li>
<li>
具有低电磁辐射和高抗电磁干扰性。
</li>
</ul>

来源：<a href="https://mp.weixin.qq.com/s/nEhCr8XiL7KO8iqBEaYLJg">ZLG致远电子</a>
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