Как проектировать и трассировать ЭМИ-оптимизированную плату для модуля RS-485 MAXM22511

2 сентября

автоматизацияуниверсальное применениеMaxim Integratedстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалыRS-485ПромавтоматикаЭлектромагнитная совместимостьMaxim Integrated

Инженерам компании Maxim Integrated удалось разместить в миниатюрном корпусе ИС MAXM22511 приемопередатчик с изоляцией как по данным, так и по питанию. Рассмотрим, как выполнить рекомендации отраслевых стандартов при создании печатной платы с учетом электромагнитных помех и каковы будут результаты измерений наведенных шумов на этой микросхеме . Помимо этого, проведем сравнительный анализ MAXM22511 и двух микросхем производства других компаний.

Изолированный дуплексный приемопередатчик RS-485/RS-422 MAXM22511 представляет собой комплексное решение для изоляции сигналов данных и питания и обеспечивает гальваническую развязку 2500 В (RMS, 60 с) между шиной RS-485/RS-422 и UART-интерфейсом. Со стороны кабеля питание осуществляется встроенным в микросхему DC/DC-преобразователем. Из схемы исключен внешний трансформатор, что экономит место на плате и повышает производительность системы. Таким образом, приемопередатчики выполняют сразу несколько функций, не требуя при этом дополнительных внешних компонентов и занимая малую площадь.

Стоит учитывать, что высокочастотные переключения встроенного DC/DC могут стать проблемой в тех случаях, когда необходимо соблюсти строгие требования по электромагнитной совместимости (ЭMC). Компания Maxim Integrated разработала плату с оптимальными электромагнитными характеристиками и провела измерения наведенных шумов на MAXM22511. В данной статье рассматриваются методы проектирования данной платы и приводится сравнение результатов с данными двух микросхем от других производителей. Микросхемы протестированы на оценочных платах, которые предлагаются производителем в качестве плат с оптимальной ЭМС. Кроме этого, в статье даны рекомендации по трассировке платы для MAXM22511 с целью снижения электромагнитных помех.

Этапы интеграции 

Дискретное решение

Изначально стандарт передачи и приема данных ANSI/EIA/TIA-485-A-1998 (RS-485) был создан для устранения недостатков RS-232 и RS-422. Двунаправленный стандарт RS-485 дает возможность подключения к одной шине нескольких приемопередатчиков, каждый из которых может управлять данными на шине или освобождать ее для работы остальных. RS-485 включает в себя спецификацию стандарта RS-422 «точка-точка», но является более надежным и больше подходит для промышленных применений.

В жестких условиях организация надежной передачи данных по RS-485 требует наличия микроконтроллера, изолирующего барьера (например, оптопары, как показано на рисунке 1), полудуплексного или дуплексного приемопередатчика и кабеля. Подвести питание необходимо как на стороне микроконтроллера, так и к изолированной части на кабельной стороне. Исторически каждый из этих компонентов выполнялся дискретно (рисунок 1). В некоторых случаях применение отдельных компонентов может быть оправдано, однако такие схемы довольно громоздки и дороги. Дискретные структуры все чаще заменяются интегрированными решениями, имеющими ряд преимуществ: меньшие размеры и площадь размещения на печатной плате, привлекательную стоимость, высокую надежность и малое рассеивание мощности. Например, оптопары можно заменять цифровыми изоляторами Maxim, которые не только обеспечивают меньшее энергопотребление, но и дают возможность повысить скорость передачи данных.

Рис. 1. Дискретная структура передачи данных по RS-485/RS-422

Рис. 1. Дискретная структура передачи данных по RS-485/RS-422

Интеграция драйвера трансформатора в приемопередатчик

На первом этапе интеграции компания Maxim Integrated представила семейство изолированных приемопередатчиков RS-485/RS-422 для надежной передачи данных, которые имеют стандартные функции RS-485: скорость передачи данных до 25 Мбит/с, ограничение скорости нарастания для улучшения электромагнитных характеристик. Эти микросхемы имеют встроенную изоляцию 2,5 или 5 кВ, полудуплексный или дуплексный приемопередатчик RS-485 и драйвер трансформатора для питания изолированной стороны микросхемы (рисунок 2), за счет чего уменьшена общая площадь размещения компонентов на печатной плате.

Рис. 2. Интегрированная микросхема: RS-485/RS-422, изоляция и управление питанием

Рис. 2. Интегрированная микросхема: RS-485/RS-422, изоляция и управление питанием

Полностью интегрированный модуль

MAXM22511 является полностью интегрированным приемопередатчиком RS-485/RS-422. Эта микросхема, созданная компанией-лидером в области RS-485, представляет собой надежное и компактное решение для организации изолированной дуплексной передачи данных и не требует применения внешних компонентов (рисунок 3).

Рис. 3. Полностью интегрированное решение MAXM22511

Рис. 3. Полностью интегрированное решение MAXM22511

MAXM22511 содержит все необходимые элементы промышленного интерфейса RS-485: изолирующий барьер, приемопередатчик и изолированный источник питания. Для сигналов данных применена запатентованная компанией Maxim технология емкостной изоляции. Интегрированные DC/DC-преобразователь и LDO-стабилизатор обеспечивают питание для изолированной стороны схемы (рисунок 4). Внутренний трансформатор реализован на ферритовом сердечнике для уменьшения нежелательных электромагнитных помех.

Ключевыми особенностями MAXM22511 являются:

  • наличие встроенного трансформатора (изолированное питание полностью создается внутри микросхемы);
  • КПД встроенного DC/DC 60%;
  • изоляция 2,5 кВ (RMS);
  • защита от электростатики ± 35 кВ на линиях RS-485.

MAX22511 обеспечивает малое рассеивание мощности и высокий уровень защиты от электростатического разряда, при этом занимаемая площадь составляет 9,35×11,5 мм (внешние компоненты не требуются). Этот приемопередатчик представляет собой надежное однокомпонентное решение для создания промышленного интерфейса с изоляцией как сигналов данных, так и питания.

Рис. 4. Функциональная схема MAXM22511

Рис. 4. Функциональная схема MAXM22511

В таблице 1 кратко описаны этапы развития решений для RS-485 компании Maxim.

Таблица 1. Решения Maxim Integrated для изолированного интерфейса RS-485

Характеристики Дискретное решение Первоначальное интегрированное решение Полностью интегрированное решение
Описание и основные микросхемы Приемопередатчик RS-485 MAX13487E;  драйвер трансформатора MAX256; LDO-стабилизатор MAX1659; трансформатор; две оптопары PS9151-A Изолированный приемопередатчик RS-485 со встроенным драйвером трансформатора MAX14949; трансформатор Приемопередатчик MAX22511 с изоляцией по данным и питанию
Количество микросхем/компонентов 6 2 1
Оценочная плата MAX13487EEVKIT MAX149X2EVKIT MAX22511EVKIT
Общая площадь на печатной плате, мм2 2500 1000 100

Оптимизация печатной платы с MAXM22511

Оценочная плата с микросхемой MAXM22511 предназначена для повышения качества тестирования и проверки функциональности микросхемы, а также для разработки прототипов устройств. На этой плате не учитываются электромагнитные помехи. Важными факторами их уменьшения являются трассировка печатной платы и выбор компонентов. Компания Maxim Integrated разработала две дополнительные платы MAXM22511 STITCH и MAXM22511 NO_STITCH EVAL, имеющие оптимальныме электромагнитные характеристики. С их помощью можно оценить наведенные шумы (рисунок 5). Гербер-файл доступен по ссылке.

Рис. 5. Принципиальная схема оценочной платы с оптимальными электромагнитными характеристиками

Рис. 5. Принципиальная схема оценочной платы с оптимальными электромагнитными характеристиками

Maxim использует три основных метода проектирования платы для улучшения ЭМС:

  • межслойная сшивающая емкость (только в плате STITCH);
  • защитные контуры и отверстия по краям платы;
  • выбор компонентов, улучшающих значение ЭМС.

Сшивающий конденсатор встраивается во внутренние слои платы STITCH. Защитные Y-образные конденсаторы установлены через изолирующий барьер на обеих платах.

Сшивающая емкость

Низкая электромагнитная совместимость часто наблюдается в платах с изоляционными барьерами. При прохождении сигнала по дорожке печатной платы этот сигнал отображается на слое земли под ней, и при встрече с препятствием на плате, например, на изолирующем барьере, такой отображенный сигнал вызывает дифференциальные токи и напряжения, которые создают электромагнитные помехи.

Когда два слоя на печатной плате перекрываются, образуется емкость. Слои печатной платы можно специально разместить и рассчитать так, чтобы создать то, что называется сшивающей емкостью (рисунок 6). Сшивающие конденсаторы на печатной плате позволяют отображениям сигналов на слое земли, находящемся на пути прохождения сигналов, оставаться стабильными, уменьшая высокочастотные помехи без дополнительных затрат на плату. Индуктивность между двумя параллельными пластинами такого типа конденсатора очень мала, а емкость распределена по большой площади.

Рис. 6. Пример сшивающего конденсатора

Рис. 6. Пример сшивающего конденсатора

Сшивающая емкость платы вычисляется по формуле 1:

$$C_{сш}=C_{1}\parallel C_{2}+C_{3}\parallel C_{4}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Емкость между слоями вычисляется по формуле 2:

$$C=\frac{(I\times w\times \epsilon_{0}\times \epsilon_{r})}{d}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

где:

  • ε0 – константа (8,854 * 10-12 Ф/м);
  • εr – определяется материалом платы (относительная диэлектрическая проницаемость). Для FR4 εr, как правило, она равняется 4,5.

Сшивающая емкость на оценочной плате MAXM225511 STITCH состоит из изолированного медного островка на внутреннем слое, который перекрывает плоскости заземления как со стороны подключения кабеля, так и со стороны UART-приемопередатчика (рисунок 7). Вычисленная по формулам 1 и 2 сшивающая емкость оценочной платы MAXM22511 STITCH составляет приблизительно 49 пФ.

Рис. 7. Трассировка платы для MAXM22511, разработанной с оптимальной ЭМС: а) верхний слой; б) внутренний слой 1; в) внутренний слой 2 для сшивающего конденсатора; г) нижний слой

Рис. 7. Трассировка платы для MAXM22511, разработанной с оптимальной ЭМС: а) верхний слой; б) внутренний слой 1; в) внутренний слой 2 для сшивающего конденсатора; г) нижний слой

Защитный контур и защитные отверстия

Помехи на слоях земли и питания могут наводиться на торцах платы. Для улучшения ЭМС компания Maxim Integrated разместила на плате защитные отверстия по краям земляных слоев GNDA и GNDB. Стоит учитывать, что использование защитного контура или защитных отверстий, несмотря на эффективность, отбирает площадь слоя для сшивающего конденсатора. В некоторых случаях требуется увеличивать размер платы для получения оптимального значения сшивающей емкости.

Электромагнитные характеристики MAXM22511 

Сравнение STITCH и NO_STITCH

Результаты испытаний плат MAXM22511 STITCH и MAXM22511 NO_STITCH показаны на рисунках 8 и 9. Все измерения соответствуют требованиям стандарта CISPR 11, высокочастотный шум дополнительно подавляется за счет использования сшивающей емкости.

Испытания проводились с сигналами частотой 1 МГц, подаваемыми на вывод TXD (DE = VDDA, RE = GNDA, нагрузка между выводами Y и Z = 60 Ом, передача в цикле, выход передатчика подключен на вход приемника).

Рис. 8. Измерения на плате MAXM22511 NO_STITCH, разработанной с оптимальной ЭМС

Рис. 8. Измерения на плате MAXM22511 NO_STITCH, разработанной с оптимальной ЭМС

Рис. 9. Измерения на плате MAXM22511 STITCH, разработанной с оптимальной ЭМС

Рис. 9. Измерения на плате MAXM22511 STITCH, разработанной с оптимальной ЭМС

Сравнительный анализ

В лаборатории Maxim Integrated было проведено тестирование и сравнение MAXM22511 (на оценочной плате MAXM22511 STITCH) с двумя конкурирующими изделиями на платах А и Б. Обе микросхемы были протестированы на оценочных платах с оптимальной ЭМС, разработанных и собранных производителями данных микросхем. Результаты показаны на рисунках 10, 11 и 12. Испытания проводились с сигналами частотой 1 МГц, подаваемыми на вывод TXD (DE = VDDA, RE = GNDA, нагрузка между выводами Y и Z = 60 Ом, передача в цикле, выход передатчика подключен на вход приемника).

Рис. 10. Тестирование конкурента А в лаборатории компании Maxim

Рис. 10. Тестирование конкурента А в лаборатории компании Maxim

Рис. 11. Тестирование конкурента Б в лаборатории компании Maxim

Рис. 11. Тестирование конкурента Б в лаборатории компании Maxim

Рис. 12. Тестирование MAXM22511 в лаборатории компании Maxim

Рис. 12. Тестирование MAXM22511 в лаборатории компании Maxim

Выводы

MAXM22511 – приемопередатчик RS-485 со встроенным DC/DC-преобразователем, предназначенный для использования в жестких промышленных условиях. Комбинация запатентованной технологии Maxim Integrated и печатной платы, разработанной с оптимальной электромагнитной совместимостью, гарантирует, что данный приемопередатчик обеспечит наилучшие электромагнитные характеристики в чувствительных к помехам системах даже без использования платы со встроенной сшивающей емкостью.

Оригинал статьи

Перевела Софья Букреева по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее

Товары
Наименование
MAXM22510GLH+ (MAX)
MAXM22510EVKIT# (MAX)
MAXM22510GLH+T (MAX)
MAXM22511GLH+T (MAX)
MAXM22511GLH+ (MAX)
MAXM22511EVKIT# (MAX)