アプリケーション・ブリーフ

RS-485 の概要

RS-485 は、産業用の長距離ネットワークで最も広く使用されている有線インターフェイスの 1 つです。TIA/EIA-485-A 規格は、RS-485 インターフェイスの物理層を定義しています。最終アプリケーションでは、RS-485 インターフェイスを PROFIBUS、Modbus、BACnet などのプロトコルと組み合わせて使用します。このインターフェイスの主な利点は次のとおりです。

1. 平衡差動信号を使用しているため、同相ノイズを除去し、ノイズの多い産業環境で長距離通信が行いやすい。
2. -7～12V の広い同相範囲をサポートしているため、異なるグランド電位差にあるノード間でマルチポイント・データを送信可能。
3. 短距離で最大 50Mbps のデータ・レート、低速データ・レートで最大 1000m の通信距離を実現可能。

RS-485 のアプリケーションには、エネルギー・メーター、グリッド保護リレー、ソーラー・インバータ、ファクトリ・オートメーション、モーター制御、暖房、換気、空調 (HVAC) システムなどがあります。

最終アプリケーションでの絶縁型 RS-485

図 1 に、AC モーター・ドライブの代表的なブロック図を示します。

制御モジュールは通常、RS-485 物理層を介してプログラマブル・ロジック・コントローラ (PLC) と通信します。工場環境では、AC ドライブと PLC の間のグランド電位差 (GPD) が、RS-485 規格で推奨されている同相電圧範囲を大きく上回ることがよくあります。ドライブ・システム内の RS-485 バス・トランシーバの信号ラインと電源ラインにガルバニック絶縁を導入し、グランド・ループを切断するのが一般的です。この手法では、GPD が大きい場合でもドライブと PLC の間でデータを転送できます。この場合、電力段の高電圧はすでに制御段から絶縁されているため、RS-485 リンクの基本絶縁で十分です。RS-485 リンクの電気的高速過渡現象 (EFT) も、誘導性スイッチングのため重要な懸念事項になります。

図 2 に、ソーラー・インバータの代表的な実装を示します。RS-485 は、インバータと制御ステーションの間の通信チャネルとして機能します。構成パラメータと性能パラメータは、制御ステーションとインバータの間で RS-485 リンクを介して転送されます。

図 2 では、インバータ段を駆動する制御モジュールは高電圧 DC を基準としています。RS-485 リンクは、人間がアクセス可能なコネクタに接続されており、オペレータの安全性を考慮して高電圧から保護する必要があるので、強化絶縁が必須となっています。高い変換効率の需要が高まっているため、ソーラー・インバータは最大 1500V の高 DC リンク電圧で設計されています。このため、RS-485 通信用の絶縁バリアには、より高い動作電圧が必要となっています。

性能に関するその他の考慮事項

絶縁型 RS-485 を必要とするシステムには、絶縁以外に次の主な要件があります。

1. 差動出力電圧スイング：RS-485 インターフェイスの差動スイングが大きいと、信号対雑音比 (SNR) が大きくなり、到達範囲が長くなります。PROFIBUS 準拠のトランシーバは V_OD ≧ 2.1V をサポートしており、複数のドライブおよびファクトリ・オートメーション・システムで使用されています。
2. 過渡ノイズに対する堅牢性：工場の作業場や屋外の環境で動作する有線インターフェイスは、静電気放電、落雷、電気的高速過渡現象などの過渡ノイズにさらされます。堅牢な RS-485 リンクは、これらの過酷な過渡現象に耐え、データ損失を最小限に抑えてデータを転送できるようにする必要があります。
3. ホット・プラグ用のグリッチ・フリーの電源オン / 電源オフ：RS-485 ネットワークでは、ネットワークで新しいノードに交換するときに、2 つのノード間のバス上にある既存の通信が中断されないようにすることが重要です。

新しい絶縁型 RS-485

ISO1410 は、テキサス・インスツルメンツの最新の絶縁型 RS-485 / PROFIBUS トランシーバで、上記のすべての機能を備えています。図 3 に、代表的なアプリケーションの回路図を示します。このデバイスは、ロジック側が 1.71V～5.5V の電圧で動作できるため、低電圧の FPGA や ASIC と接続できます。バス側の電源電圧が 3～5.5V と広範囲であるため、調整された電源電圧は不要です。このデバイス・ファミリは、-40℃～+125℃の広い動作周囲温度範囲で完全に特性評価されており、16 ピンの幅広 SOIC パッケージ (沿面距離 / 空間距離 8mm) で提供されています。

SiO2 絶縁バリアは、UL1577 に準拠しており、60 秒間で 5kV_RMS の絶縁耐圧をサポートしています。表 1 に示すように、基本絶縁と強化絶縁のオプションが提供されています。

SiO2 ベースの絶縁バリアには、温度や湿度に耐性のある優れた絶縁性能を備えています。1500V_pk の絶縁動作電圧で 40 年間という業界最高の寿命を達成しており、1500V ソーラー・インバータと 690V_AC モーター・ドライブ・システムで使用できます。

ISO1410 のその他の差別化機能は次のとおりです。

1. オンチップの 16kV IEC ESD (接触放電) および 4kV IEC EFT 保護により、過渡事象に対する堅牢性が向上。適切なシステム設計と絶縁バリアを活用することにより、バス上の外付け保護コンポーネントを排除し、レベル 4 の EMC 保護を実現可能。
2. 同相過渡耐性は最小 85kV/μs で業界最高。これにより、高速に変化する同相ノイズが存在する場合でも、絶縁バリアをまたぐデータ通信が信頼性の高いものになります。
3. 1/8 の単位負荷で、バス上で最大 256 のノードをサポート。
4. レシーバのフェイルセーフにより、バスの短絡、開放、アイドル状態になったときにロジック High 出力を供給。これにより、従来の絶縁型トランシーバで必要だった 2 つのバイアス抵抗を除去できます。

まとめ

ISO1410 デバイスは、統合と優れたシステム・レベルの性能を実現します。このデバイスは動作電圧 (1500V_pk) が業界最高で、非常に高いレベルの IEC ESD および EFT に対応できます。

これらの特長により、ソーラー・インバータやモーター・ドライブなど、ほとんどの産業用アプリケーションで魅力的なソリューションとなります。このデバイスは、RS-485 ポートの絶縁において最終機器の設計者がよく直面する主な課題に対応することができ、過酷な産業環境での通信を可能にします。