簡介

本文介紹了MAXM22511隔離式RS-485/RS-422，全雙工收發器模塊，為數據和電源通道提供完整的隔離解決方案，提供2500V有效值(60s)電纜側(RS-485/RS-422驅動器/接收器側)和設備的UART側之間的電氣隔離。

集成的DC-DC 轉換器無需外部變壓器即可為模塊的電纜側供電，從而節省電路板空間并提高系統性能。無需外部組件，這些模塊可在非常小的占用空間內提供大量功能。對于需要滿足嚴格的電磁兼容性 (EMC) 準則的設計人員來說，集成高頻開關 DC-DC 可能是一個問題。Maxim設計了EMI優化板，并對MAXM22511的輻射噪聲進行了內部測量。本應用筆記討論了設計技術，并將結果與兩款競爭IC進行了比較(在競爭對手EMI優化的評估板上進行了測試)。還包括MAXM22511 EMI優化布局指南。

集成的演變

入門：分立解決方案最初的ANSI/EIA/TIA-485-A-1998(RS-485)標準是為了解決RS-232和RS-422的缺點而創建的。RS-485是一種雙向標準，在一條總線上具有多個驅動器和接收器，其中每個驅動器都可以放棄或驅動總線。 RS-485結合了點對點RS-422標準的規格，但更堅固，這使得RS-485成為工業應用的理想選擇。

為了在惡劣環境中實現可靠通信，典型的RS-485通信模塊需要微控制器、隔離柵(即圖1中的光耦合器)、收發器(半雙工或全雙工)和電纜。電路的邏輯側和隔離側都需要電源。從歷史上看，這些組件中的每一個都是離散完成的(圖1)。分立電路雖然在某些特殊情況下是最佳的，但往往又大又昂貴。使用許多元件需要大量的電路板空間以及額外的BOM和組裝成本。 雖然分立式構建模塊電路仍在一些有限的應用中使用，但多年來越來越多地被高級集成解決方案所取代。例如，光耦合器可以用Maxim的數字隔離器代替，后者具有更高的數據速率、更低的功耗和更小的尺寸。集成解決方案(IC或模塊)具有多種優勢，包括更小的尺寸/尺寸、更低的成本、高可靠性和低功耗。

圖1.離散 RS-485/RS-422 通信模塊。

第一級集成：集成收發器和變壓器驅動器Maxim推出了一系列用于可靠通信的隔離式RS-485/RS-422收發器，其中包括業界通用的標準RS-485功能(例如，數據速率高達25Mbps，壓擺率受限收發器可實現更好的EMI性能)。這些收發器集成了一個 2.5kV 或 5kV 隔離邊界、一個半雙工或全雙工 RS-485 收發器以及一個變壓器驅動器，為器件的隔離(或 RS-485 通信)側供電(圖2)。

通過集成數據和電源控制器模塊，這些收發器減少了可靠通信應用的總體占用空間。

圖2.集成 RS-485/RS-422、隔離和變壓器驅動器通信模塊。

最后的前沿：全集成模塊Maxim最新的可靠通信器件MAXM22511是一款完全集成的隔離式RS-485/RS-422全雙工收發器模塊。該收發器無需外部元件，以Maxim在RS-485領域久經考驗的領先地位為基礎，將通信和電源配對，成為市面上最小的魯棒高性能通信解決方案(圖3)。

圖3.RS-485/RS-422與MAXM22511完全集成。

MAXM22511集成了工業RS-485系統所需的所有模塊(例如，隔離柵、收發器和隔離電源)。數據隔離采用Maxim專有的電容隔離技術實現。集成的 DC-DC 和 LDO 為電路的隔離側提供穩壓電源(圖4)。內部變壓器基于鐵氧體磁芯，有助于減少不必要的EMI輻射。該模塊的主要特性包括集成變壓器(完成隔離電源)、60% DC-DC 效率、2.5kV有效值RS-485 I/O上的隔離和±35kV ESD保護。

MAX22511方案具有9.35mm x 11.5mm的占位面積(無需外部元件)，功耗更低，具有高水平的ESD保護。該收發器是一款強大的單組件解決方案，可滿足隔離式工業接口的數據和電源需求。

圖4.MAXM22511功能圖.

表1.Maxim隔離式RS-485解決方案的演變

表 1.Maxim隔離式RS-485解決方案的演變

MAXM22511優化設計和布局

MAXM22511評估板設計靈活，支持測試和原型設計電路，以驗證MAXM22511的功能，并且未針對最低EMI性能進行優化。由于PCB布局和元件選擇在設計電路或產品以實現最佳EMC/EMI性能時至關重要，Maxim還設計了兩款EMC/EMI優化板(MAXM22511引腳和MAXM22511 NO_STITCH EVAL板)，用于內部評估輻射噪聲(圖5)。請聯系Maxim，索取這些電路板的可用性。

圖5.MAXM22511 EMI測試板原理圖

Maxim的EMC/EMI優化板采用三種設計技術來提高EMC/EMI性能：

集成浮動拼接電容(僅限拼接板)

邊緣防護/通孔保護環

EMI 優化組件選擇

在這兩塊板中，只有STITCH板在內層設計了一個集成的浮動焊接電容器。兩塊板均包括跨越隔離柵的安全Y電容。

浮動焊盤電容EMI性能差通常見于具有隔離柵的電路板。當信號穿過PCB上的走線時，在信號層下方的接地層上形成鏡像電荷。當電荷鏡像被迫停止時，例如在隔離柵處，在PCB中產生差分電流和電壓并產生EMI。

當PCB中的兩層重疊時，形成電容器。PCB層可以專門放置和調整尺寸，以產生稱為旁路電容的東西(圖6)。PCB中的旁路電容允許沿信號電流路徑的鏡像電荷保持穩定，從而減少高開關信號，而不會增加PCB的額外成本。這種類型的電容器的兩個平行板之間的電感非常低，并且電容分布在大面積上。

圖6.樣本旁路電容布局

電路板的針跡電容計算公式為C針 = C1||C2 + C3||C4.各層之間的每個電容計算為C = (l × w × ε0 × εr)/d其中ε0是一個常數(8.854 × 10-12F/m) 和εr由PCB材料決定。對于 FR4，εr= 4.5(典型值)。

MAXM225511 STITCH評估板上的浮動旁路電容由內層上的隔離銅島組成，該銅島與收發器模塊電纜側和UART側的接地層重疊。使用上述公式，MAXM22511信號溝道評估板的旁路電容約為49pF。

圖7.MAXM22511 EMC/EMI優化的電路板布局。頂部(左上)、第 1 層(右上)、拼接電容器的第 2 層(左下)和底部(右下)。

邊緣保護/過孔保護環PCB中接地層和電源層上的噪聲在到達電路板邊緣時會輻射。雖然有幫助，但使用邊緣保護或圍繞接地層的通孔保護環具有顯著的權衡，因為邊緣保護減少了旁路電容層上的面積。在某些情況下，可能需要稍微增加電路板尺寸才能獲得最佳的旁路電容。Maxim在EMC/EMI優化板的GNDA和GNDB層邊緣使用通孔保護環。

EMI 優化的元件選擇

要優化PCB 板以進行 EMC/EMI 測試， 請特別注意電路的元件選擇.MAXM22511不需要任何額外的外部元件即可工作，但EMC/EMI優化板包括一些用于訪問數字信號的跳線和接頭，以及用于RS-485/RS-422總線連接的DB9連接器。使用的針座結構緊湊，布局和布局受到嚴格控制，以避免損害PCB的EMC/EMI功能。DB9 連接器包括一個內部鐵氧體濾波器，有助于抑制電路板開關噪聲。

隔離柵之間的高dv/dt切換會導致電流在寄生電容中流動。如果這些意外路徑具有較大的環路面積，則流過環路的電流會輻射，從而導致電磁干擾(EMI)。安全等級(5kV峰Y2電容器放置在GNDA和GNDB之間，以幫助降低這種噪聲。這些電容器為寄生電流流過創造了一條具有小環路面積的短路徑，從而降低了電路板上產生的EMI。

MAXM22511 電磁兼容/電磁干擾性能

Maxim的STITCH與NO_STITCH Maxim對MAXM22511 STITCH評估板和MAXM22511 NO_STITCH評估板的內部EMC/EMI評估如圖8a和圖8b所示。雖然所有測量都通過了CISPR 11要求，但使用旁路電容可以消除任何高頻噪聲。

請注意，測試是在施加到TXD 的 1MHz 開關信號下完成的(DE = VDDA，RE = GNDA，Y 和 Z 之間的 60Ω 負載，以及環回配置)。

圖8a. MAXM22511 EMI 優化NO_STITCH評估板測量

圖8b. MAXM22511 EMI 優化的引腳評估板測量值。

總結

MAXM22511模塊提供RS-485通信和集成DC/DC電源，可在惡劣的工業環境中實現可靠的通信。Maxim專有技術和EMI優化PCB布局相結合，確保該收發器模塊即使在不使用路口電容PCB的情況下，也能為噪聲敏感型應用提供最佳的EMI性能。

審核編輯：湯梓紅