【应用】利用GMR隔离技术提高PROFIBUS RS-485稳健性

时间： 2018-04-30 来源：Renesas

技术问答

PROFIBUS在运行时有超过5000万个的节点，是世界上最受欢迎的现场总线。它的名称来源于术语Process Field Bus，最初被设计为位级串行通信标准，通过网络系统中各个节点之间的信息交换来协调。这种独创的PROFIBUS现场管理系统（FMS）成功地实现了更简单快速的协议。现场总线分布式外围设备（PROFIBUS Distributed Peripherals, PROFIBUS DP）是迄今为止最受欢迎的实施方式。

但是，随着新的DP网络安装数量不断增加，其应用特定要求也在不断提高，包括更高的工作温度、隔离电压，以及更小的外形尺寸等。虽然许多RS-485收发器都声称PROFIBUS兼容，但只有很少一部分符合标准，可满足越来越苛刻的系统要求的就更少了。本文将介绍新PROFIBUS DP节点的最佳实践，涵盖了总线节点隔离、PROFIBUS兼容性和总线信号极性；同时介绍一个基于巨磁电阻（GMR）隔离技术的PROFIBUS国际公认的隔离收发器系列。

图1是传统隔离总线节点设计电路，使用了三个光电耦合器将PROFIBUS收发器与其接地参考控制器电路分开。

图1 传统的PROFIBUS DP节点

瑞萨推出的ISL32740收发器集成了GMR隔离器与PROFIBUS RS-485收发器，大大减少了元件数量和功耗，同时提高了对共模电压和线路噪声的容限。另外，收发器还可以显著提高可靠性。由于GMR隔离器没有磨损机制，因此该器件将在无需更换的情况下延长应用的使用寿命。图2是使用ISL32740的典型DP节点的设计电路图。

图2 使用ISL32740的现代PROFIBUS DP节点

认证与审批

PROFIBUS国际组织对收发器差分输出电压进行限制，这使当今市场上的许多收发器芯片被禁止使用。在无负载条件下，最大差分总线电压限制在7V_PP，而对于最大负载，最小限制为4VPP。许多具有高输出驱动的RS-485收发器符合4V_PP的最小值，但超过了7V_PP的最大值，这是因为驱动器的差分电压很容易超过8.5V。因此，如果未能使用符合4V_PP至7V_PP限制的收发器，将会导致任何提供PROFIBUS认证的产品被认证机构拒绝。另一个障碍是需要在指定的最大电源电压下测量差分电压。对于5V收发器，通常为5.5V。PROFIBUS测试实验室在其一致性测试中使用最差情况电压。

总线信号规范

RS-485标准明确将收发器总线端子A和B分别定义为反相和正相端子。然而，所有收发器制造商都使用相反的信号规范，即端子A是正相；端子B是反相。指定和实际应用的信号约定之间的差异问题一直让设计人员感到困惑，尽管解决方案很简单。目前已经安装了5000万个PROFIBUS节点，其中A为正相端，B为反相端。这样，您将确保您的设计与未来5000万个未来安装节点兼容。

GMR PROFIBUS解决方案

瑞萨自推出非隔离式ISL3159 PROFIBUS收发器以来，已将此器件与数字隔离器（基于GMR技术）集成到一个封装内，以生产ISL3274x系列隔离式PROFIBUS收发器。最初的ISL32740EIBZ解决了需要真正8mm爬电距离的应用，以及-40℃至85℃的标准工业温度范围。

对于需要小尺寸封装的密集设计，可以将相同的解决方案应用到微型16引脚QSOP封装中，实现前所未有的小型化。工作温度范围仍为-40℃至85℃。与PROFIBUS客户的讨论之后确定了在未来的设计中需要更高的环境温度115℃和125℃。在这里，8mm 16引脚宽体SOIC封装具有足够低的热阻，可在125℃下实现可靠的工作，虽然产量略低。这导致了高温PROFIBUS隔离器ISL32740EFBZ的发布。

然而，真正的设计挑战来自于医疗和机器人应用领域的客户。他们的要求不仅要求更高的温度，而且要求VDE增强型隔离，这导致了分别适用于工业和扩展工业温度范围的ISL32741EIBZ和ISL32741EFBZ 的发布。虽然这些应用通常使用RS-485而非PROFIBUS DP作为其物理层，但瑞萨的PROFIBUS收发器符合这两种标准。表1列出了各种PROFIBUS收发器的独特功能。所有收发器在从3.0V至5.5V的主电源供电和4.5V至5.5V的次电源供电时支持最高40Mbps的数据速率。

表1 隔离PROFIBUS收发器

结论：

许多设备将在PROFIBUS DP节点中运行。其中，只有极少数符合7V_PP的最大差分电压规范。ISL3274xE隔离收发器符合PROFIBUS规范，被PROFIBUS国际组织认可用于DP节点。它们消除了设计风险，并利用GMR隔离器技术加速了产品上市时间，实现了基本和增强型隔离。

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