【導(dǎo)讀】PROFIBUS是最常見的現(xiàn)場總線，當(dāng)前有超過5000萬個節(jié)點在運行。該總線最初于1989年在德國開發(fā)出來并被注冊為DIN 19245，國際電工委員會（IEC）已在IEC 61158標(biāo)準中承認了PROFIBUS及其各種互連格式。
PROFIBUS
PROFIBUS是最常見的現(xiàn)場總線，當(dāng)前有超過5000萬個節(jié)點在運行。該總線最初于1989年在德國開發(fā)出來并被注冊為DIN 19245，國際電工委員會（IEC）已在IEC 61158標(biāo)準中承認了PROFIBUS及其各種互連格式。
PROFIBUS源自“過程現(xiàn)場總線（Process Field Bus）”一詞的縮寫，最初是作為位級串行通信標(biāo)準而設(shè)計的。PROFIBUS可以協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各節(jié)點間的信息交換的執(zhí)行步驟。最初的PROFIBUS現(xiàn)場管理系統(tǒng)（FMS）被更簡單靈活的協(xié)議所取代，例如PROFIBUS分布式外設(shè)（DP），PROFIBUS過程自動化（PA）以及僅針對電機控制的ProfiDrive。
PROFIBUS DP是迄今為止最流行的實施方案，并且繼續(xù)保持著強勁增長的勢頭。但是，隨著新DP網(wǎng)絡(luò)安裝數(shù)量的不斷增加，應(yīng)用的具體要求也在不斷增加。其中包括更高的工作溫度和隔離電壓，以及更小的外形尺寸。雖然許多RS-485收發(fā)器號稱與PROFIBUS兼容，但真正符合標(biāo)準的只有少數(shù)，而能夠滿足日益嚴苛系統(tǒng)要求的就更少了。
本文將介紹新的PROFIBUS DP節(jié)點的最佳設(shè)計，重點介紹總線節(jié)點隔離、符合PROFIBUS規(guī)范和總線信號極性，并將介紹經(jīng)PROFIBUS國際認可、隔離技術(shù)基于巨磁電阻（GMR）的新型隔離收發(fā)器系列，該系列包括業(yè)界尺寸最小和性能最強大的PROFIBUS收發(fā)器。本文還將展示如何保護隔離總線節(jié)點免受ESD、EFT和瞬間浪涌的影響。
傳統(tǒng)隔離
圖1展示了PROFIBUS DP標(biāo)準文檔中描述的傳統(tǒng)隔離總線節(jié)點設(shè)計。該電路使用三個光耦合器將PROFIBUS收發(fā)器與其他以大地為接地參考的控制器電路分開。
圖1. 傳統(tǒng)的PROFIBUS DP節(jié)點
瑞薩電子將GMR隔離器與PROFIBUS RS-485收發(fā)器集成，推出了ISL32740型號收發(fā)器。該器件顯著減少了元件數(shù)量并降低了功耗，同時提高了對共模電壓和線路噪聲的容差。此外，收發(fā)器可靠性也顯著提高。由于GMR隔離器中沒有磨損機制，因此該器件在應(yīng)用的整個生命周期都無需更換。圖2展示了使用ISL32740的典型DP節(jié)點設(shè)計。
圖2. 使用ISL32740的新式PROFIBUS DP節(jié)點
合規(guī)和認證
PROFIBUS國際標(biāo)準對收發(fā)器差分輸出電壓進行了限制，禁止使用許多目前市場上的收發(fā)器芯片。在空載條件下，最大差分總線電壓限制在7VPP。而對于最大負載，最小值限制為4VPP。
許多具有高輸出驅(qū)動的RS-485收發(fā)器能夠滿足4VPP的最小值，但因為生產(chǎn)差分電壓高達8.5V的驅(qū)動器比較容易，往往會超過7VPP的最大值。但在這里，并不是電壓越高越好。
因此需要注意，如果未使用符合4VPP至7VPP限制的收發(fā)器，將導(dǎo)致任何申請PROFIBUS認證的產(chǎn)品無法通過認證。另一個申請會遇到的問題是收發(fā)器差分電壓要求在最大指定電源電壓下測量，對于5V收發(fā)器來說，通常為5.5V。PROFIBUS測試實驗室在合規(guī)性測試中會使用這一最惡劣的條件。
總線信號規(guī)則
RS-485標(biāo)準明確地將收發(fā)器總線端子A和B分別定義為反相和非反相端子。然而，所有收發(fā)器制造商都使用相反的規(guī)則，其端子A是非反相，端子B是反相端子。
這個現(xiàn)象一直延續(xù)至今。PROFIBUS會按照EIA-485標(biāo)準，將非反相端子分配給B線，將反相端子分配給A線。但是，全世界的收發(fā)器制造商仍在使用相反的信號端子定義。
指定和實際應(yīng)用的信號規(guī)則不匹配一直困擾著網(wǎng)絡(luò)研發(fā)人員。這個問題的解決方案其實很簡單，迄今為止安裝的5000萬個PROFIBUS節(jié)點的收發(fā)器A為非反相，B為反相端，遵循這一信號規(guī)則就可以確保研發(fā)人員的設(shè)計與未來將會安裝的5000萬個節(jié)點是兼容的。
GMR PROFIBUS解決方案
在推出非隔離式ISL3159型號PROFIBUS收發(fā)器后，瑞薩電子又將該器件與數(shù)字隔離器（基于GMR技術(shù)）集成到單個封裝中，進而推出ISL3274x系列隔離式PROFIBUS收發(fā)器。最初的ISL32740EIBZ設(shè)計針對嚴格要求8mm爬電距離和標(biāo)準工業(yè)溫度范圍-40°C至85°C的應(yīng)用。
對于需要小尺寸封裝的密集設(shè)計，可以將同樣的解決方案應(yīng)用到更小的16引腳QSOP封裝中，從而最大程度地實現(xiàn)小型化，同時還能保持 -40°C至85°C的工作溫度范圍。根據(jù)PROFIBUS用戶的需求，確定在以后的設(shè)計中需要達到115°C和125°C的更高環(huán)境溫度。此時采用8mm、16引腳的寬體SOIC封裝雖然能夠提供足夠低的熱阻并可以在125°C下繼續(xù)工作，但是良率會降低。這正是瑞薩電子推出高溫PROFIBUS隔離器ISL32740EFBZ的原因。
然而，真正的設(shè)計挑戰(zhàn)來自于醫(yī)療和機器人應(yīng)用領(lǐng)域的用戶，他們不僅有更高的溫度需求，還需要VDE增強隔離。為此，瑞薩電子推出的ISL32741EIBZ和ISL32741EFBZ設(shè)計采用6kV隔離器，分別對應(yīng)工業(yè)和擴展工業(yè)溫度范圍。雖然這些應(yīng)用通常使用RS-485，而不是PROFIBUS DP，但瑞薩電子的PROFIBUS收發(fā)器同時符合這兩個標(biāo)準。表1列出了各種PROFIBUS收發(fā)器的專有特性。需注意，所有收發(fā)器在3.0V至5.5V的主電源和4.5V至5.5V的輔助電源下工作時，支持的最大數(shù)據(jù)速率為40Mbps。
表1. 隔離式PROFIBUS收發(fā)器
瞬態(tài)保護
為了ISL32740E的應(yīng)用能扛住超出器件耐壓的瞬變，需要增加一個外部瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）。為此，瑞薩電子選用了Semtech RClamp0512TQ，因為它具有高瞬態(tài)保護水平、低結(jié)電容和小外形尺寸。
表2. RCLAMP0512 TVS特性
TVS在總線和隔離接地（GNDISO）之間執(zhí)行，如圖3所示。由于總線上的瞬態(tài)電壓以接地電位（也稱為保護接地，PE）為參考，因此在GNDISO和PE之間插入高壓電容（CHV），為高頻瞬變提供低阻抗回路。需注意的是，與PE的連接常通過設(shè)備的金屬機箱或很短的低電感線實現(xiàn)。
添加一個高壓電阻（RHV）與CHV并聯(lián)，可以防止浮地（GNDISO）和電纜屏蔽（通常用于PROFIBUS）中靜電的積聚。表3列出了該電路所需的材料清單。
圖3. 具有瞬態(tài)保護的隔離式PROFIBUS DP節(jié)點
表3. 材料清單
結(jié)論
許多設(shè)備可在PROFIBUS DP節(jié)點中運行。但其中只有少部分符合7VPP DP最大差分電壓規(guī)范。ISL3274xE隔離式收發(fā)器符合PROFIBUS規(guī)范，經(jīng)PROFIBUS國際認可，可用于DP節(jié)點。它們使用GMR隔離器技術(shù)實現(xiàn)基本和強化隔離，消除了設(shè)計風(fēng)險并加速產(chǎn)品上市時間。
