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晶焱科技推出無極性且兼具強大系統級靜電放電防護能力之RS485通信芯片2012/04/26

                                        晶焱科技 設計研發部曾當貴經理、 陳志豪副理
簡介
 
RS485通信接口具有低成本、架構簡單、可靠度高及抗干擾能力強等諸多優點,所以能成為智能電表內建的基本通信接口,但其有極性的差分平衡式接口信號卻容易在大型組網布線時因極性反接造成通信失能或接口損毀,而在目前組網的維修情況看來,約有二至三成通信失能的原因都是因其有極性接口引腳反接所致,以目前中國一年約7000萬台電表的裝置數量來看,這個問題若不解決,以後將會帶來可觀的人力調試及系統維護成本,所以使用無極性RS485接口電表來完成無極性組網通信的重要性及迫切性與日俱增。
 
晶焱科技的無極性RS485通信芯片(AZRS5485)採標準SOP8封裝,內建極性偵測與判斷電路,當內部電路判斷完成後,即自我進行極性的校正動作,全部在芯片內部完成,不用外接額外硬體或軟體來達到無極性接口要求,AZRS5485的無極性功能可所謂隨插即用,不用專業的施工人員也可任意的接線,大大地提高組網效率,除此之外AZRS5485還提供強大的系統級靜電放電(System Level ESD)防護能力,IEC 61000-4-2 Contact Discharge接觸模式可高達±23 kV,為電表接口的可靠度加分不少。
 
現行有極性RS485通信網路有極性接口反接之解決方法
 
1. 硬體判斷,人工修正:
在RS485通信接口對地外接發光二極體(LED),然後人工判斷極性連接是否正確,若是接錯再由人工透過switch開關將極性調整回來。
缺點:需額外的LED,switch開關及專業的施工調試人員。
 
2. 軟體判斷,自動修工:
在軟體通信前要多一段極性確認的程序,由主端(master)發送檢測信號,從端(slave)收到檢測信號要發回握手信號做回應,若在設定時間內主端仍未收到從端的回應信號,則主端會判定從端線路連接錯誤,主端會發出控制信號改變從端外部的電磁繼電器開關將接口連接線路做修正再進行檢測動作。
缺點:需額外電磁繼電器與軟體極性確認的程序。
 
3. 編碼傳輸
將轉輸信號進行曼切斯特編碼或差分曼切斯特編碼後即可實現無極性連接。
缺點:需在MCU的UART與RS485芯片間增加時鐘芯片與編碼及解碼電路芯片。
 
AZRS5485 無極性實現方法
 
AZRS5485有內建極性偵測與判斷電路,它不用外接硬體來人工判斷極性也不需透過軟體配合MCU做主從式架構(Master-Slave)的極性判斷程序,更不用多餘的芯片來完成複雜的信號編碼與解碼,只要芯片一上電或是RS485通信接口完成連接,內建的極性偵測與判斷電路就會自動進行偵測與判斷之後會發送控制信號通知發射器與接收器告知接口極性是否連接正確,若是連接錯誤,AZRS5485可自行在內部進行極性的校正,它也省去了外部的switch開關與電磁繼電器做極性的切換動作,如圖一所示,施工者可以不用是專業人員,未受過訓練的非專業人員也可任意地進行接口信號的連接,完全不用考慮極性的問題,不用任何額外多餘的硬體、軟體或編碼,全部的偵測、判斷與校正動作都在AZRS5485芯片內自行完成。
 
AZRS5485無極性RS485芯片特性介紹:
 
AZRS5485是一顆半雙工無極性5V的RS485通信芯片,內建極性偵測與判斷電路加上自我極性校正功能,只要將差分平衡式接口引腳(A, B)任意地接上RS485接口即可,不用再多花時間確認接口極性或是接口色線,只要一芯片上電,AZRS5485就立刻即時地自動完成極性的偵測、判斷,然後進行極性的校正。不僅僅如此而已,AZRS5485還可不需系統重置只要接口引腳一接上就會重新進行極性的偵測、判斷,然後進行極性的校正,如此的設計是為了現場佈線施工若線掉了,只需再重新鎖上即可,不需鎖上後又要再重置系統才能重新偵測、判繼、校正。最後順帶一提的使用AZRS5485還可完全不用考慮電表與集中器上電順序,就是不論是電表或是集中器那一方先上電都可正確進行無極性RS485網路通信。
 
AZRS5485採SOP_8標準包裝與標準引腳兼容於現行標準RS485通信芯片, 其電性完全符合EIA/TIA-485標準,AZRS5485發射端TX在不同的共模電壓(VCM= -7~ 12V)下,仍可正常的輸出VOD=2V的差分平衡式信號,還有短路電流過大的current limited保護及短路電流過久的過熱的thermal shutdown兩階段保護,以確保芯片不會燒毀。AZRS5485在接收端RX相同設計在不同的共模電壓(VCM=-7~12V)下,將接收端RX的臨界電壓設計在-50mV~-200mV之間,使其可以達到Fail-Safe的要求(RS485網路開路、短路或閒置情況上RX接收器輸出仍為high,不會誤動作),在智能電表的應用上不論是兩顆光耦的電表架構或是三顆光耦的電表架構,AZRS5485都適合使用,如圖二所示。
 
AZRS5485無極性RS485芯片ESD靜電放電防護能力
 
在傳統的RS485傳收器中,為了符合DL/T 645的標準,傳輸線接口A,B兩端會有HBM 15kV的規格,但在實際應用上,這樣的防護是不夠的。所以AZRS5485在外部接口A,B端內建了瞬變電壓抑制二極體(Transient Voltage Suppressor, TVS)來防止電壓突波並提供系統級靜電放電保護,使得傳輸接口A,B端受到更完整的保護,ESD規格如下:
 
1. IEC 61000-4-2, 接觸模式Contact Discharge ±23 kV
2. IEC 61000-4-2, 空氣放電模式Air Discharge ±23 kV
 
AZRS5485大大提昇了智能電表的可靠度,不需再為了系統ESD外掛額外的保護元件。
除了傳輸端口A,B具有完整ESD防護外,AZRS5485更是每一PIN腳均可達到元件級ESD JEDEC人體模型(HBM) ±8kV的保護,與工業級應用的Machine Model (MM) ±800V的保護,使其應用有最高的安全性。在芯片自我防護方面,AZRS5485的Charge Device Model (CDM) 達到±1kV,這可讓芯片因製程環境不良而累積過多電荷時可以有強大自我保護作用。在穩定性及可靠性上,具閂鎖防制能力(Latchup Immunity)高達400mA,所以可使用在高雜訊的環境下而無虞。
 
表一 AZRS5485特性列表
Part Number
Duplex
Tx/Rx
Supply Voltage
Data Rate
(Kbps)
IEC 61000-4-2 Contact on A,B
Special Function
Package Type
AZRS5485
Half
1/1
5V
250
± 23kV
Polarity Free
SOP-8

 

 
 
無極性RS485通信網路施工建議
使用無極性RS485通信網路就可免除施工及維護的煩惱,它可使用在完全無極性的通信網路,或是混合有極性網路與無極性智能電表,如圖四所示。
無極性電表硬體介紹:
 
1.      無極性RS485電表不可接上拉下拉電阻,如圖三所示。
2.      無極性RS485芯片與MCU間不論是三個光耦架構或二個光耦架構均可使用。
3.      一條RS485通信網路上只須有一組上拉下拉電阻,建議設計在采集器(or集中器)上。
 
施工接線配合 :
 
1.      建議先上采集器的電源,再上電表的電源,反之亦可,但須等待采集器電源開啟後,各表才能正確判斷極性。
2.      現有的RS485總線上加無極性RS485電表,建議可先將A,B接上總線後,再開電表的電源,但反之亦可。
3.      無極性RS485電表在上電接線後,發生A, B掉線的狀況時,只需將A,B接回即可,不必重新啟動電源。
 
晶焱科技RS-485 系列產品
AZRS485 5V RS-485: 內建系統級靜電放電防護TVS
AZRS485 5V電源半雙工RS-485傳收器, 它將外部原先置於系統PCB上的TVS整合進RS485傳收器內,單獨一顆AZRS485即可對抗系統級靜電放電 (IEC 61000-4-2, Contact Discharge ±15 kV),不需再外掛額外的保護元件。適合有極性智慧電表使用。
 
AZRS3078 3.3V RS-485: 內建系統級靜電放電防護TVS
AZRS3078是3.3V電源高速半雙工RS-485傳收器, 同樣地內建TVS,全部的電氣規格均符合RS485標準規格,相當適合IP CAM使用。
 
AZRS3082AZRS3088 5V RS-485: 內建強大的雷擊防護TVS
AZRS3082及AZRS3088 將防護能力再次大大的提昇,除了將原先系統級靜電放電防護提高到(IEC 61000-4-2, Contact Discharge ±30 kV)外,再內建強大的雷擊防護(IEC 61000-4-5, Surge ±30 A)。其優越的靜態耗電及超低的等待耗電,符合目前節能減碳的環保政策。所以AZRS3082,AZRS3088是訴求高性能、高穩定性、高安全性的RS485傳收器。
 
表二 晶焱科技RS-485產品列表

Part
T/R (#)
Data Rate (kbps)
Vcc (V)
ESD           
(kV)
Surge (A)
Package
AZRS5485
1/1
250
5.0
15
-,
SOP-8
AZRS485
1/1
10000
5.0
15
-,
SOP-8
AZRS3078
1/1
16000
3.3
15
-
SOP-8
AZRS3082
1/1
250
5.0
30
30
SOP-8
AZRS3088
1/1
10000
5.0
30
30
SOP-8

 
 
晶焱科技-來自台灣的IC設計公司,由數十位擁有多年靜電放電防護(ESD)實戰經驗的專業工程師所組成,同時也是台灣第一家專門提供靜電防護解決方案的專業設計公司。
 
  


圖一 AZRS5485功能方塊圖與接腳圖。

圖二 無極性AZRS5485芯片不論是三個光耦智能電表系統或是二個光耦的智能電表系統均適用

圖三 無極性RS485芯片與有極性RS485芯片外部應用電路比較。

圖四 無極性、有極性及無極性有極性混合型RS485通信網路示意圖。

 

 

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