Diseño de interfaces de datos RS-232 aislados y robustos para aplicaciones industriales duras

Introducción

Un requisito clave en industria e instrumentación (I&I) es una interfaz de datos fiable para inspeccionar los sistemas conectados a través de un puerto de diagnóstico. El sitio Estándar del bus RS-232 es uno de los diseños de bus de capa física más antiguos y más utilizados en las aplicaciones de I&I. Introducido por primera vez en 1962, el RS-232 es un estándar de transmisión de datos de un solo extremo, pero a pesar de los rumores sobre su rápida desaparición, sigue siendo muy utilizado en la industria para las comunicaciones a través de un cable corto.

Para conseguir un enlace de comunicación de datos robusto en entornos industriales difíciles, el puerto de diagnóstico RS-232 debe proporcionar una interfaz aislada entre la red de cables RS-232 y los sistemas conectados, para protegerlos de los picos de tensión y los bucles de tierra en el entorno ruidoso y mejorar la fiabilidad del sistema (Figura 1). El aislamiento eléctrico del enlace de comunicación RS-232 se consigue utilizando una fuente de alimentación aislada de CC a CC o Analog Devices, Inc, isoPotencia® tecnología de convertidor DC-DC integrado. El aislamiento de la señal del enlace de comunicación RS-232 se realiza mediante optoacopladores o Dispositivos Analógicos iAcoplador® tecnología.

Figura 1. Típico enlace de comunicación RS-232 aislado.

Como se muestra en la Figura 2, una barrera de aislamiento aísla galvánicamente el bus RS-232 de cada sistema conectado a él, permitiendo que los datos digitales fluyan entre dos puntos, pero impidiendo el flujo de corrientes de bucle de tierra; esto reduce la distorsión y los errores de señal al eliminar el ruido que se acopla al cable de comunicación.

Figura 2
Figura 2: Función de aislamiento.

Implementación de una interfaz RS-232 aislada

Para proporcionar una interfaz de comunicación RS-232 aislada, los dispositivos de ambos extremos deben estar aislados del cable RS-232 de conexión. Para aislar una enlace de datoslas líneas de señal de datos y la fuente de alimentación necesaria para alimentar el cable deben estar aisladas. Los datos de la UART del puerto de diagnóstico deben pasar a través de la barrera de aislamiento hasta el transceptor RS-232 del lado del bus aislado. La fuente de alimentación local de 5-V/3,3-V también debe pasar por la barrera de aislamiento para alimentar el transceptor RS-232 en el lado del bus aislado. Esto también debe ocurrir en el lado del PC industrial: los datos y la energía deben atravesar la barrera de aislamiento (Figura 3).

Al aislar los dos dispositivos en la red de cables RS-232, el puerto de diagnóstico y los circuitos del PC industrial están protegidos de los transitorios que pueden acoplarse al cable RS-232 en entornos difíciles. Los bucles de tierra que podrían producirse debido a los diferentes potenciales de tierra en el puerto de diagnóstico y en el lado del PC industrial se interrumpen con el aislamiento. Las altas tensiones en modo común que puedan producirse en el bus RS-232 no atraviesan la barrera de aislamiento, protegiendo así a los usuarios humanos de los datos aislados.

Figura 3
Figura 3: Interfaz RS-232 aislada.

Tecnología de aislamiento: datos y energía

La figura 4 compara dos tecnologías principales de aislamiento iLa tecnología de acoplamiento, Figura 4(a), aísla la señal en un sistema RS-232 utilizando técnicas de procesamiento de película gruesa para construir transformadores a microescala en el chip que consiguen un aislamiento de 2,5 kV. La tecnología más antigua, pero ampliamente utilizada, optoacoplador el optoacoplador, figura 4(b), utiliza diodos emisores de luz (LED) y fotodiodos. Los LEDs convierten las señales eléctricas en luz, y los fotodetectores vuelven a convertir la luz en señales eléctricas. La baja eficiencia inherente a la conversión de la electricidad en luz da lugar a un consumo de energía relativamente alto, la lenta respuesta de los fotodetectores limita su velocidad y el envejecimiento limita su vida útil.

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Fabricar transformadores directamente en el chip, utilizando procesamiento a nivel de obleapermite la integración a bajo coste de iAcoplar los canales entre sí y con otras funciones semiconductoras. Un ejemplo de ello es el ADM3252E, un transceptor RS-232 aislado de dos canales en un único dispositivo compacto iEl aislamiento del acoplador supera las limitaciones impuestas por la antigua solución del optoacoplador en al menos cinco aspectos integración-que reduce el tamaño de la solución global y el coste del sistema mediante el funcionamiento bidireccional de iAcoplador de gama alta rendimientomás abajo consumo de energía, facilidad de uso, y más fiabilidad.

Figura 4
Figura 4: Tecnologías de aislamiento comparadas.

Hasta hace poco, la transferencia de energía a través de una barrera de aislamiento requería o bien un convertidor DC-DC separado, que es relativamente grande, caro y tiene un aislamiento insuficiente, o bien un enfoque discreto personalizado, que es engorroso y difícil de diseñar. Estos enfoques han sido las únicas alternativas viables, incluso en aplicaciones como las comunicaciones de datos aisladas RS-232, donde sólo se necesita una pequeña cantidad de energía aislada.

Para resolver este problema, Analog Devices ha desarrollado y fabricado una solución completa y totalmente integrada que combina la transferencia de señal y potencia a través de una barrera de aislamiento mediante microtransformadores. Esta ampliación de nuestra consolidada iLa tecnología de acoplamiento, llamada isoEl poder, es una alternativa revolucionaria. Aislar la señal y la fuente de alimentación en un solo componente -hasta 2,5 kV- elimina la necesidad de una fuente de alimentación aislada que es voluminosa, cara y difícil de diseñar. Puede reducir drásticamente el espacio de la placa, el tiempo de diseño y el coste total de aislamiento del sistema para una típica interfaz RS-232 aislada. Los siguientes apartados describen dos situaciones típicas de diseño de RS-232 en las que se puede aplicar esta tecnología.

Interfaz RS-232 aislada, de alta velocidad y de dos canales

La figura 5 compara una solución heredada que utiliza componentes discretos con una solución totalmente integrada.

Figura 5
Figura 5: Comparación de diseños de RS-232 aislados.

La forma tradicional de implementar una interfaz RS-232 de 2 canales totalmente aislada, Figura 5(a), es utilizar optoacopladores para proporcionar aislamiento de datos del enlace RS-232. Se necesita un optoacoplador para cada línea de datos (TIN1, TIN2, ROUT1, ROUT2), y un buffer externo para cada una. La fuente de alimentación aislada utiliza un CI controlador de transformador para accionar un transformador discreto, y un sencillo circuito rectificador y un LDO (regulador de baja caída) para limpiar el V ISO aislado de 5 V o 3,3 VDC de la barandilla. Para ponerlo en práctica, este diseño requiere ocho circuitos integrados y una serie de componentes pasivos, así como una cantidad importante de espacio en la placa.

En una solución de un solo chip, Figura 5(b), se puede implementar una interfaz RS-232 de dos canales totalmente aislada (2,5 kV) para las cuatro señales con un solo CI (ADM3252E), más dos condensadores de desacoplamiento y cuatro condensadores de bomba de carga.

El ADM3252E (Figura 6) combina un transceptor RS-232 estándar con una interfaz de 4 canales para las cuatro señales iAcoplador, que proporciona el aislamiento de las señales de datos RS-232. También incorpora isoTecnología de alimentación para aislar la fuente de alimentación en el chip. Integración del transceptor RS-232 combinando iAcoplador y isoLas tecnologías de aislamiento eléctrico permiten que el ADM3252E proporcione una interfaz RS-232 totalmente aislada con un aislamiento de 2,5 kV rms en un único paquete (12 mm × 12 mm), que sólo requiere seis condensadores externos.

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Figura 6
Figura 6. Transceptor RS-232 aislado de dos canales ADM3252E.

Esta solución de un solo chip reduce significativamente el tiempo de diseño y el espacio de la placa necesario para una interfaz RS-232 aislada. Se mejora la fiabilidad y se reduce el coste debido al número significativamente menor de componentes que hay que colocar en la placa, lo que reduce los costes de fabricación y mejora la fiabilidad. Además, el ADM3252E puede utilizarse en aplicaciones de 5 V o 3,3 V sin ninguna modificación, evitando los cambios de diseño que serían necesarios con un diseño discreto.

El sitio isoLa tecnología de alimentación proporciona un aislamiento de potencia de 2,5 kV directamente en el chip en el encapsulado 44-BGA, eliminando la necesidad de un costoso transformador discreto utilizado en la solución tradicional. Además, iLa tecnología del acoplador proporciona un aislamiento de la señal (datos), eliminando la necesidad de los cuatro canales discretos del optoacoplador.

Protección ESD

Como el cable RS-232 es conectado y desconectado físicamente por un usuario, la ESD (descarga electrostática) de los pines de transmisión (Tx) y recepción (Rx) del RS-232 (TxD1, TxD2, RxD1, RxD2) es muy importante para garantizar una interfaz robusta y fiable. El ADM3252E está especificado con protección ESD según la norma IEC 1000-4-2 (801.2) en los pines RINx y TOUTx, como se indica a continuación:

  • Descarga de contactos: ±8 kV
  • Descarga del entrehierro: ±15 kV

Protección contra transitorios

Para que el transceptor RS-232 aislado pueda funcionar en condiciones de funcionamiento muy duras en aplicaciones industriales, las tecnologías de aislamiento (tanto iAcoplador y isoPower) están especificados con una alta inmunidad (>25 kV/μs) a los transitorios de modo común, que es la máxima velocidad de giro de la tensión de modo común (diferencia de potencial entre el lado de la lógica y el lado del bus) que puede sostenerse manteniendo el cumplimiento de la especificación. El magnitud transitoria es el rango sobre el que se barre la tensión de modo común. La velocidad de giro de la tensión de modo común se aplica tanto a los flancos ascendentes como a los descendentes del modo común. Esta especificación garantiza que los transitorios que se acoplen al cable RS-232 en un entorno adverso no puedan dañar el transceptor RS-232 ni provocar la comunicación de datos erróneos, lo que proporciona un enlace de datos de muy alta fiabilidad.

2.protección de aislamiento de 5 kV y homologaciones

Los transceptores aislados están especificados para un aislamiento de 2,5 kV entre el lado lógico y el lado del bus del dispositivo. Este aislamiento garantiza que no pueda entrar ni salir corriente del lado lógico a través del cable RS-232. También garantiza que ninguna tensión o transitorios acoplados al cable RS-232 puedan llegar al lado lógico. La protección de aislamiento de 2,5 kV también significa que los usuarios del lado lógico están protegidos de las altas tensiones o transitorios que puedan aparecer en el cable RS-232. La protección de aislamiento de 2,5 kV del ADM3252E está actualmente aprobada por las siguientes organizaciones: Underwriters Laboratories (UL), Verband Deutscher Elektrotechniker (Asociación Alemana de Ingenieros Eléctricos) (VDE), y la Asociación Canadiense de Normalización (CSA). La homologación UL 1577 exige que la barrera de aislamiento de todos los dispositivos ADM3252E (al igual que los optoacopladores) se pruebe al 100% en la producción:

Especificaciones del ADM3252E

El transceptor RS-232 ADM3252E de 2 canales, de alta velocidad y totalmente aislado (datos y alimentación) es ideal para el funcionamiento en entornos eléctricamente difíciles, o donde los cables RS-232 se enchufan y desenchufan con frecuencia. Incorporando cuatro iCanales de aislamiento digital del acoplador (dos transmisiones, dos recepciones) y un isoEs un convertidor CC-CC a escala de chip que ofrece un aislamiento de 2,5 kV rms, una inmunidad transitoria de 25 kV/μs y una protección ESD de ±15 kV. Comunicando a velocidades de datos de hasta 460 kbps, cumple con las especificaciones TIA/EIA-232E. Un duplicador de tensión en el chip y un inversor permiten el funcionamiento con una sola fuente de alimentación. Funcionando con una sola fuente de alimentación de 3,0 V a 5,5 V, el ADM3252E consume 20 mA en vacío. Disponible en un encapsulado BGA de 44 bolas de 12 mm × 12 mm, está especificado de -40°C a +85°C y tiene un precio de 8,49 $ por 1000.

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Disposición de la placa de circuito impreso

La disposición de la placa de circuito impreso del transceptor aislado es de suma importancia para garantizar que se logre el aislamiento de 2,5 kV especificado en un diseño real. Las principales consideraciones son las siguientes distancia de fuga (distancia más corta a lo largo de la superficie entre dos conductores) y el liquidación (distancia más corta en el aire) entre la GND del lado lógico y la GND del lado del bus. El ADM3252E no necesita ningún circuito externo para sus interfaces lógicas. La derivación de la fuente de alimentación es necesaria en los pines de alimentación de entrada y salida (Figura 7). En la nota de aplicación AN-0971 encontrarás más información sobre el diseño de las placas de circuito impreso y las directrices de construcción para controlar las emisiones radiadas (EMI), Recomendaciones para el control de las emisiones radiadas con dispositivos isoPower.

Figura 7
Figura 7. Disposición recomendada de la placa de circuito del ADM3252E.

Interfaz RS-232 aislada, de alta velocidad y de un solo canal

Para las aplicaciones de transceptores que requieren una interfaz RS-232 de un solo canal (1 Tx, 1 Rx), aislada a 5 V, el ADM3251E ofrece una solución de un solo chip en un SOIC de cuerpo ancho de 20 hilos. El transceptor ADM3251E incorpora iAcoplador y isoTecnologías de aislamiento de la alimentación; fue el primer transceptor RS-232 de montaje en superficie que ofrecía un aislamiento completo de la línea de datos y de la alimentación. Con un aislamiento de 2,5 kV, cumple con los requisitos de aislamiento estándar del sector (UL1577 y DIN VDE 0884-10). Esto garantiza que cumplirá los niveles de robustez requeridos en entornos operativos ruidosos, como los puertos de datos de diagnóstico RS-232 aislados en aplicaciones de automatización y control industrial. El encapsulado SMT reduce el espacio de la placa en un 45% en comparación con los CI tradicionales y permite un proceso de fabricación más rápido y unos costes de desarrollo del sistema más bajos (Figura 8).

Figura 8
Figura 8. Aplicación de un transceptor RS232 de un solo canal. (a) Especificaciones del ADM3251E. (b) Enfoque heredado. (c) iAcoplador + isoAcercamiento al poder.

Conclusión

Los enlaces de interfaz RS-232 actuales en las aplicaciones industriales y de instrumentación deben ser pequeños, robustos y baratos, además de estar aislados. Al integrar el aislamiento por transformador a nivel de chip en un transceptor de interfaz RS-232 estándar, es posible ofrecer transceptores RS-232 de un solo chip totalmente aislados (incluida la fuente de alimentación aislada) que proporcionan estas ventajas. El ADM3252E de dos canales y el ADM3251E de un canal reducen drásticamente el tiempo de diseño y proporcionan una solución compacta, fiable, rentable y de alto rendimiento para estas exigentes aplicaciones.

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