原创 高速CMOS光耦合器在工业现场总线网络中的应用

介绍

从20世纪80年代中期开始，现场总线技术就准备进入工厂。工业现场总线根据其性能能力进行分类。人们最终选择的现场总线标准主要取决于总线能够处理的数据量及其相关的速度或传播延迟要求。可能有几十个流行的网络标准和数百个专有的或家庭网络的标准。现场总线的发展和使用发展迅速。

在现场总线之前，一个工业控制系统建立在一个中央控制器，输入和输出卡输入传感器信号和输出信号到执行器。通常，控制器、I/O卡和电机驱动器都安装在中央机柜中，中央机柜与远程设备相连接（图1A）。

然而，现场总线网络在控制器和现场设备之间以顺序信息的方式进行通信（图1B）。控制器和设备以总线、星形、树形或环状拓扑的形式连接到现场总线电缆上。

现场总线网络中的光隔离

在工业环境中，大量的和巨大的瞬态爆发是常见的。这些瞬态脉冲可能会破坏数据传输，甚至可能损坏相互连接的设备。为了保证在高速现场总线通信中的无错误的数据传输，行业系统设计人员必须努力消除干扰。通常，电流隔离光耦合器用于保持数据的完整性和保护相互连接的设备。

国际标准IEC 61000-4-4规定了与EMC抗扰力要求相关的电气快速瞬态/突发抗扰试验。安捷伦的高速CMOS 光耦合器在共模高达1000伏的电压下具有CMR 10kV/s的瞬态免疫性能。 光耦合器隔离瞬态/突发干扰，并在总线收发器和控制器之间传输数据。由于网络通信是双向的（包括接收数据并向网络传输数据），因此每个节点需要两个光耦合器。

图1A。常规控制器和遥控器并行连接的设备

图1B。控制器和远程设备通过现场总线网络连接

隔离节点电源设计注意事项

设备电源有交流线路，现场总线电缆有直流电源。对于隔离节点从上述两个源中接入电源是非常灵活的。基本考虑的是两个电源必须跨越光耦器隔离边界。有三种类型的解决方案，即：由网络供电的隔离节点（图2），具有由网络供电的收发器的隔离节点（图3，为网络供电的隔离节点（图4）。

图2。由网络供电的隔离节点

图3。具有由网络供电的收发器的隔离节点

图4。为网络供电的隔离节点

由网络供电的隔离节点

如果网络电源能充分供电给设备，则不需要从交流线路为现场设备供电。如图2所示，一个非隔离的电压调节器提供收发器和两个光耦合器的一半，而一个隔离的DC/DC转换器提供控制器和两个光耦合器的另一边。

具有由网络供电的收发器的隔离节点

图3显示了应用程序需要大量电源的时间。在这种情况下，现场设备由交流线源供电，而两个光耦合器的收发器和隔离侧由网络供电。这种方法也是可取的，因为它不会使网络负载沉重。

为网络供电的隔离节点

当网络上有有限数量的设备不需要太多电力时，建议使用图5所示的方法，从而消除了需要单独的网络电源。交流线路为现场设备提供本地供电，也为隔离电源供电。该电源为网络供电，其中一个调节器产生DC5 V，为收发器和两个光耦合器的隔离（网络）侧供电。

推荐的设备网应用程序电路

DeviceNet物理层实现使用了CAN总线。推荐的设备网应用电路如图6所示。由于高速CMOS光耦合器HCPLx710/x72x与CMOS逻辑电平信号完全兼容，因此这两个光耦合器直接连接到CAN收发器。两个旁路电容器(其值在0之间。 01和0.1 F)是必需的，并且应尽可能靠近光耦合器的输入和输出电源引脚。对于每个电容器，电容器两端与电源引脚之间的总导线长度不应超过20 mm。由于光耦合器内部信号的高速数字特性，因此需要旁路电容器。更重要的是，安捷伦HCPL-x710/x72x独特的“双反转”设计确保了当节点的交流线路电源丢失或节点断电时，网络不会“锁定”。具体地说，当消除到位于传输路径中的HCPL-x710/x72x的输入功率（VDD1）时，当HCPLx710/x72x输出电压（VO）变高时，保证了隐性总线状态。

总线V+传感

有人建议，总线V+感知块显示在图6实现。一个本地驱动的节点无电源的隔离物理层将会累积错误

如果它试图传输，就变成巴士线。总线V+感知信号将被用来改变BOI属性的设备网对象的“自动重置”（01）值。这将导致节点不断地重置，直到总线为止检测到电源。一旦检测到电源，BOI属性将返回到“总线关闭”（00）价值BOI属性不应该留在“auto-”中重置”（01）值，因为这将破坏缓冲器保护CAN错误限制的能力。

图5。推荐的设备网应用程序电路

推荐的现场总线应用程序电路

在现场总线物理层实现中，总线采用传输技术RS485和IEC1158-2技术。推荐的现场总线应用电路如图6所示。 由于高速CMOS光耦合器HCPL-772x/072x与CMOS逻辑电平信号完全兼容，因此光耦合器直接连接到收发器。两个旁路电容器(其值在0.01到0之间。 需要需要1 F)，并应尽可能靠近光耦合器的输入和输出电源引脚。对于每个电容器，电容器两端与电源引脚之间的总导线长度不应超过20 mm。由于光耦合器内部信号的高速数字特性 ，因此需要旁路电容器。

HCPL-061N与多站RS485光耦合器非常类似，该光耦合器提供了一个传输禁用功能，这是使每个主/从传输周期后总线空闲所必需的。具体来说，HCPL-061N通过将线路驱动器的发射机进入高状态模式而使其失效。此外，HCPL-061N还可切换RX/TX驱动程序IC进入收听模式。HCPL-061N提供了HCMOS兼容性和高CMR性能(1 kV / s at VCM= 1000 V)在工业通信接口中至关重要。

图6。推荐的现场总线应用程序电路