eng
Выпуск #4/2021
Д. Колесников, Е. Сухотерин, В. Богданов, Ю. Павлюк, А. Тучин
НОВАЯ МИКРОСХЕМА ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКА ДЛЯ ИНТЕРФЕЙСА RS 485 КОМПАНИИ АО «ПКК МИЛАНДР»
НОВАЯ МИКРОСХЕМА ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКА ДЛЯ ИНТЕРФЕЙСА RS 485 КОМПАНИИ АО «ПКК МИЛАНДР»
Просмотры: 1798
DOI: 10.22184/1992-4178.2021.205.4.80.87
Рассмотрена новая микросхема приемопередатчика для интерфейса RS 485 компании АО «ПКК Миландр» – К5559ИН86SI. Приведена информация о характеристиках и особенностях данной микросхемы.
Рассмотрена новая микросхема приемопередатчика для интерфейса RS 485 компании АО «ПКК Миландр» – К5559ИН86SI. Приведена информация о характеристиках и особенностях данной микросхемы.
Новая микросхема приемопередатчика для интерфейса RS‑485
компании АО «ПКК Миландр»
Д. Колесников, Е. Сухотерин, В. Богданов, Ю. Павлюк , А. Тучин
Компания АО «ПКК Миландр» подготовила к выходу на рынок новую микросхему приемопередатчика для интерфейса RS‑485 – К5559ИН86SI.
При ее разработке был реализован ряд возможностей, которые позволят передавать данные на высоких скоростях и избежать проблем, часто возникающих при эксплуатации. О характеристиках и особенностях данной микросхемы рассказывается в статье.
RS‑485. Краткое описание
Прежде чем говорить о новой микросхеме необходимо разобраться, что из себя представляет сам стандарт передачи данных. В RS‑485 для передачи и приема данных используется витая пара. Передача данных осуществляется с помощью дифференциальных сигналов, что обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе (рис. 1). Это очень важное свойство, поскольку, когда к сети подключено множество устройств, часто возникают всплески напряжения.
На практике для реализации топологии RS‑485 нужны микросхемы приемо-передатчиков. При этом, разумеется, характеристики микросхемы должны полностью соответствовать требованиям стандарта.
При организации сети с использованием интерфейса RS‑485 (рис. 2) микросхема, которая передает информацию, называется Master, а которая принимает информацию – Slave. Максимальное количество устройств в линии может быть 256.
Для того чтобы создать сеть на основе RS‑485 для микроконтроллеров, необходимо использовать дополнительную микросхему приемопередатчика (рис. 3). Микроконтроллер подключается к ней по протоколу UART, после чего приемопередатчик начинает вещание.
Компания АО «ПКК Миландр» уже выпускает серийно микросхему К5559ИН10БSI [1], но ввиду того как быстро увеличиваются объемы данных, которые передают контроллеры, скорости 2,5 Мбит / с, которую обеспечивает эта микросхема, уже недостаточно. Далее будем рассматривать новую микросхему К5559ИН86SI [2], которая позволяет передавать данные со скоростью 30 Мбит / c.
Новое поколение микросхем для RS‑485 – К5559ИН86SI
Может возникнуть вопрос: зачем выпускать микросхему, аналоги которой уже есть на рынке? Здесь можно выделить несколько причин:
Электросчетчики. Компания АО «ПКК Миландр» долгое время занимается разработкой счетчиков и постепенно переходит на свою элементную базу [3]. В большинстве счетчиков применяется микросхема RS‑485 предыдущего поколения – К5559ИН10БSI, однако с каждым годом растут объемы передаваемых данных, поэтому необходимо повышать скорость приемопередатчиков.
Поддержка напряжения 3 В. Постепенно 5-В стандарт теряет свою актуальность, и новые продукты уже разрабатываются с 3-В приемопередатчиками. Этот переход дает существенные преимущества в потребляемой мощности и скорости передачи данных.
Совместимость. Для выхода на коммерческий рынок мы разработали две основные стратегии: поиск маржинальных продуктов (подход детально описан в статье про АЦП [4]) и совместимых по функционалу, выводам и характеристикам микросхем. Для того чтобы не быть связанным с одним поставщиком, разработчики аппаратуры часто выбирают несколько совместимых микросхем. Такой подход дает несколько плюсов: независимость от поставщика и шанс удешевить свой продукт, выбрав микросхему с меньшей стоимостью. У 30-Мбит / с микросхемы RS‑485 есть множество аналогов (MAX14783EEUA, ST3485EB, ADM3490E, THVD14xx и др.).
Микросхема нового поколения приемопередатчика RS‑485 выполнена в простом и дешевом 8‑выводном пластиковом корпусе SO‑8 (рис. 4). Такое решение продиктовано потребностью выпуска микросхемы большими партиями с минимальной ценой. Кристалл получился довольно маленький (1,3 × 1,3 мм) (рис. 5), что позволит конкурировать в цене с ведущими мировыми производителями. Более подробно о характеристиках микросхемы можно прочитать в спецификации [5].
Параметры К5559ИН86SI получились сравнимыми c зарубежными аналогами (табл. 1). Однако достижение хороших показателей параметров является лишь «верхушкой айсберга». Помимо того, что описано в стандарте, у любой микросхемы есть свои отличительные особенности. Рассмотрим некоторые из них.
Защита от короткого замыкания
При организации сетей на базе RS‑485 возможна ситуация, когда передатчик «вещает» в линию, в которой устойчиво присутствует другой потенциал. Чаще всего такая ситуация встречается при одновременном «вещании» двух или более передатчиков. Что будет с микросхемами передатчиков при таком включении? Рассмотрим данную ситуацию на простом примере (рис. 6). Подключим напрямую два передатчика (возьмем только одно соединение для витой пары, для ее другого проводника все будет тоже самое, но с инверсией): на выходе передатчика 1 будет потенциал +5 В («питание»), на выходе передатчика 2 будет 0 («земля»).
Транзисторы P1 и N2 будут открыты, и без наличия дополнительной защиты через них будет идти ток короткого замыкания (КЗ), который будет ограничен только незначительными сопротивлениями самих транзисторов и проводника. Чаще всего в такой ситуации исход один – тепловой пробой транзисторов.
По стандарту RS‑485 напряжение в линии может быть от –7 до +12 В (это связано с тем, что «земли» микросхем могут находиться на довольно приличном расстоянии друг от друга – более одного километра). Худшая ситуация, то есть максимальные токи короткого замыкания, может возникнуть, когда передатчик передает логическую единицу, а в линии присутствует потенциал –7 В, или когда передатчик передает логический ноль, а в линии потенциал 12 В.
Простейший способ обезопасить схему от КЗ – добавить ограничивающие резисторы для каждого транзистора выходного буфера (рис. 7). Когда ток через них увеличивается, по закону Ома напряжение δU на резисторе начинает расти. Когда δU становится равным порогу срабатывания транзистора (Pfb и Nfb на рис. 7), включается обратная связь и ток КЗ достигает насыщения. Однако попытка применить такой способ привела к проблемам.
Из-за того, что в цепи напряжение может быть выше напряжения питания, появляется обратный ток. Если бы система питалась от внешнего источника, он мог бы подавить это напряжение, но питание осуществлялось от внутреннего LDO (линейный регулятор напряжения). Обратный ток повышал напряжение LDO, и схема сгорала. Решение, которое было придумано, выглядит следующим образом.
Источники опорного тока задают ток через транзисторы N3 и P3 (рис. 8). Схема токового зеркала определяет максимальный ток, который может проходить через транзисторы N2 и P2, тем самым ограничивает как прямой ток КЗ, так и обратный. Данное решение было проверено экспериментально.
Для проведения эксперимента использовались источник-измеритель Keithley 2602А (рис. 9) и программное обеспечение LabView, позволяющее управлять источником-измерителем и снимать вольтамперные характеристики. Для автоматизации измерений инженерами АО «ПКК Миландр» был разработан матричный коммутатор 64 × 8, который позволяет автоматически коммутировать 64 вывода микросхемы на 8 каналов (к которым можно подключить какое-либо оборудование).
Вольтамперные характеристики, полученные в результате измерений, представлены на рис. 10. Видно, что в худших случаях, при устойчивых потенциалах в линии –7 или 12 В, ток микросхемы ограничен примерно на уровне 90 мА. При этом транзисторы микросхемы не разрушаются.
Если же режим КЗ сохраняется в течение определенного времени (около двух минут), срабатывает следующая функция – термозащита, и схема выключается.
Встроенная термозащита
Защита от перегрева встроена почти во все зарубежные микросхемы приемопередатчиков RS‑485 и является неотъемлемой функциональной частью схемы. При повышенной температуре параметры транзисторов начинают деградировать, а при токе короткого замыкания разогрев неизбежен и важно вовремя перевести микросхему в выключенное состояние.
Ситуацию с перегревом усугубляет и пластиковый корпус, который весьма плохо отводит тепло. Кроме того, топология кристалла прошла серьезную оптимизацию, чтобы разместить максимум функционала на минимальной площади.
Гарантированный диапазон температур, в котором должна функционировать микросхема: –40…85 °C. В К5559ИН86SI порог срабатывания термодатчика расположен в районе температуры 165 °С – при достижении этого значения произойдет выключение микросхемы.
Значение 165 °С выбрано исходя из того, что при такой температуре кристалл гарантированно не получит повреждений и продолжит функционировать после остывания.
Рабочий же диапазон температур в документации приводится относительно температуры окружающей среды.
Проверка работы микросхемы при различных температурах выполнялась при помощи испытательной камеры тепла и холода SU‑262 компании ESPEC (рис. 11). Камера позволяет задать температуру от –60 до 150 °C. В процессе измерений проверялось, какой запас по температуре есть у кристалла в рабочем режиме.
Ко входу микросхемы подключался генератор и анализировался сигнал на выходе (рис. 12). Результаты измерений показали, что во всем диапазоне температур от –60 до 125 °C схема функционировала нормально. Однако остается вопрос, каков запас по температуре. Для того чтобы ответить на него, нужно понять какова температура самого кристалла. Для ее измерения был разработан следующий подход.
Практически во всех микросхемах существует ESD-защита (защита от электростатических разрядов). В простейшем случае она представляет собой два диода, используемых в обратном включении (один на «землю», другой на «питание»). Воспользуемся тем, что падение напряжения на диоде (p-n-переходе) зависит от температуры. Используем схему включения, показанную на рис. 13.
Задача стоит следующая: построить зависимость напряжения на диоде от температуры, что поможет вычислить температурный коэффициент. Измерения производились в режиме с выключенной схемой: питание на микросхему не подавалось (VDD = 0); к цифровому выводу DI подключался источник тока 10 мкА. Это исключает саморазогрев микросхемы, то есть позволяет откалибровать температурную шкалу для данного образца.
В результате измерений (с использованием той же камеры тепла и холода) была получена зависимость, показанная на рис. 14. Значение температурного коэффициента напряжения составило 1,78 мВ / °C.
Откалибровав шкалу, можно перейти к оценке разогрева микросхемы внутри пластикового корпуса в рабочем режиме при штатных нагрузках и в случае короткого замыкания выходных каскадов. Режим измерения следующий:
Может возникнуть вопрос: почему нельзя было заложить в схему специальный тестовый режим для измерения температуры? Однако именно описанный подход позволил сравнить микросхему К5559ИН86SI с аналогом – микросхемой MAX1478 (которая является для нас «черным ящиком») (табл. 2).
На основе результатов измерений можно сделать два вывода:
Таким образом, было экспериментально подтверждено, что разработанные схемотехнические решения надежно защищают микросхему от нештатных ситуаций (таких как КЗ или конфликт драйверов) и не оказывают влияния на штатные режимы ее функционирования.
Литература
К5559ИН10БSI. – https://ic.milandr.ru/products/mikroskhemy_v_plastikovykh_korpusakh/k5559in10bu_so_8/
К5559ИН86SI. – https://ic.milandr.ru/products/mikroskhemy_v_plastikovykh_korpusakh/k5559in28asi-okr-interfeys‑51-/
Шумилин С. Микроконтроллер АО «ПКК Миландр» на базе процессорного ядра RISC-V для приборов учета электроэнергии // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2021. № 3. С. 92–96.
Скоростной АЦП с нуля. 16 бит за 10 лет. –
https://habr.com/ru/company/milandr/blog/530662/
Микросхема приемопередатчика по стандарту RS‑485 К5559ИН86SI, К5559ИН86Н4. – https://ic.milandr.ru/upload/iblock/848/%D0%9A5559%D0%98%D0%9D86SI.pdf
компании АО «ПКК Миландр»
Д. Колесников, Е. Сухотерин, В. Богданов, Ю. Павлюк , А. Тучин
Компания АО «ПКК Миландр» подготовила к выходу на рынок новую микросхему приемопередатчика для интерфейса RS‑485 – К5559ИН86SI.
При ее разработке был реализован ряд возможностей, которые позволят передавать данные на высоких скоростях и избежать проблем, часто возникающих при эксплуатации. О характеристиках и особенностях данной микросхемы рассказывается в статье.
RS‑485. Краткое описание
Прежде чем говорить о новой микросхеме необходимо разобраться, что из себя представляет сам стандарт передачи данных. В RS‑485 для передачи и приема данных используется витая пара. Передача данных осуществляется с помощью дифференциальных сигналов, что обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе (рис. 1). Это очень важное свойство, поскольку, когда к сети подключено множество устройств, часто возникают всплески напряжения.
На практике для реализации топологии RS‑485 нужны микросхемы приемо-передатчиков. При этом, разумеется, характеристики микросхемы должны полностью соответствовать требованиям стандарта.
При организации сети с использованием интерфейса RS‑485 (рис. 2) микросхема, которая передает информацию, называется Master, а которая принимает информацию – Slave. Максимальное количество устройств в линии может быть 256.
Для того чтобы создать сеть на основе RS‑485 для микроконтроллеров, необходимо использовать дополнительную микросхему приемопередатчика (рис. 3). Микроконтроллер подключается к ней по протоколу UART, после чего приемопередатчик начинает вещание.
Компания АО «ПКК Миландр» уже выпускает серийно микросхему К5559ИН10БSI [1], но ввиду того как быстро увеличиваются объемы данных, которые передают контроллеры, скорости 2,5 Мбит / с, которую обеспечивает эта микросхема, уже недостаточно. Далее будем рассматривать новую микросхему К5559ИН86SI [2], которая позволяет передавать данные со скоростью 30 Мбит / c.
Новое поколение микросхем для RS‑485 – К5559ИН86SI
Может возникнуть вопрос: зачем выпускать микросхему, аналоги которой уже есть на рынке? Здесь можно выделить несколько причин:
Электросчетчики. Компания АО «ПКК Миландр» долгое время занимается разработкой счетчиков и постепенно переходит на свою элементную базу [3]. В большинстве счетчиков применяется микросхема RS‑485 предыдущего поколения – К5559ИН10БSI, однако с каждым годом растут объемы передаваемых данных, поэтому необходимо повышать скорость приемопередатчиков.
Поддержка напряжения 3 В. Постепенно 5-В стандарт теряет свою актуальность, и новые продукты уже разрабатываются с 3-В приемопередатчиками. Этот переход дает существенные преимущества в потребляемой мощности и скорости передачи данных.
Совместимость. Для выхода на коммерческий рынок мы разработали две основные стратегии: поиск маржинальных продуктов (подход детально описан в статье про АЦП [4]) и совместимых по функционалу, выводам и характеристикам микросхем. Для того чтобы не быть связанным с одним поставщиком, разработчики аппаратуры часто выбирают несколько совместимых микросхем. Такой подход дает несколько плюсов: независимость от поставщика и шанс удешевить свой продукт, выбрав микросхему с меньшей стоимостью. У 30-Мбит / с микросхемы RS‑485 есть множество аналогов (MAX14783EEUA, ST3485EB, ADM3490E, THVD14xx и др.).
Микросхема нового поколения приемопередатчика RS‑485 выполнена в простом и дешевом 8‑выводном пластиковом корпусе SO‑8 (рис. 4). Такое решение продиктовано потребностью выпуска микросхемы большими партиями с минимальной ценой. Кристалл получился довольно маленький (1,3 × 1,3 мм) (рис. 5), что позволит конкурировать в цене с ведущими мировыми производителями. Более подробно о характеристиках микросхемы можно прочитать в спецификации [5].
Параметры К5559ИН86SI получились сравнимыми c зарубежными аналогами (табл. 1). Однако достижение хороших показателей параметров является лишь «верхушкой айсберга». Помимо того, что описано в стандарте, у любой микросхемы есть свои отличительные особенности. Рассмотрим некоторые из них.
Защита от короткого замыкания
При организации сетей на базе RS‑485 возможна ситуация, когда передатчик «вещает» в линию, в которой устойчиво присутствует другой потенциал. Чаще всего такая ситуация встречается при одновременном «вещании» двух или более передатчиков. Что будет с микросхемами передатчиков при таком включении? Рассмотрим данную ситуацию на простом примере (рис. 6). Подключим напрямую два передатчика (возьмем только одно соединение для витой пары, для ее другого проводника все будет тоже самое, но с инверсией): на выходе передатчика 1 будет потенциал +5 В («питание»), на выходе передатчика 2 будет 0 («земля»).
Транзисторы P1 и N2 будут открыты, и без наличия дополнительной защиты через них будет идти ток короткого замыкания (КЗ), который будет ограничен только незначительными сопротивлениями самих транзисторов и проводника. Чаще всего в такой ситуации исход один – тепловой пробой транзисторов.
По стандарту RS‑485 напряжение в линии может быть от –7 до +12 В (это связано с тем, что «земли» микросхем могут находиться на довольно приличном расстоянии друг от друга – более одного километра). Худшая ситуация, то есть максимальные токи короткого замыкания, может возникнуть, когда передатчик передает логическую единицу, а в линии присутствует потенциал –7 В, или когда передатчик передает логический ноль, а в линии потенциал 12 В.
Простейший способ обезопасить схему от КЗ – добавить ограничивающие резисторы для каждого транзистора выходного буфера (рис. 7). Когда ток через них увеличивается, по закону Ома напряжение δU на резисторе начинает расти. Когда δU становится равным порогу срабатывания транзистора (Pfb и Nfb на рис. 7), включается обратная связь и ток КЗ достигает насыщения. Однако попытка применить такой способ привела к проблемам.
Из-за того, что в цепи напряжение может быть выше напряжения питания, появляется обратный ток. Если бы система питалась от внешнего источника, он мог бы подавить это напряжение, но питание осуществлялось от внутреннего LDO (линейный регулятор напряжения). Обратный ток повышал напряжение LDO, и схема сгорала. Решение, которое было придумано, выглядит следующим образом.
Источники опорного тока задают ток через транзисторы N3 и P3 (рис. 8). Схема токового зеркала определяет максимальный ток, который может проходить через транзисторы N2 и P2, тем самым ограничивает как прямой ток КЗ, так и обратный. Данное решение было проверено экспериментально.
Для проведения эксперимента использовались источник-измеритель Keithley 2602А (рис. 9) и программное обеспечение LabView, позволяющее управлять источником-измерителем и снимать вольтамперные характеристики. Для автоматизации измерений инженерами АО «ПКК Миландр» был разработан матричный коммутатор 64 × 8, который позволяет автоматически коммутировать 64 вывода микросхемы на 8 каналов (к которым можно подключить какое-либо оборудование).
Вольтамперные характеристики, полученные в результате измерений, представлены на рис. 10. Видно, что в худших случаях, при устойчивых потенциалах в линии –7 или 12 В, ток микросхемы ограничен примерно на уровне 90 мА. При этом транзисторы микросхемы не разрушаются.
Если же режим КЗ сохраняется в течение определенного времени (около двух минут), срабатывает следующая функция – термозащита, и схема выключается.
Встроенная термозащита
Защита от перегрева встроена почти во все зарубежные микросхемы приемопередатчиков RS‑485 и является неотъемлемой функциональной частью схемы. При повышенной температуре параметры транзисторов начинают деградировать, а при токе короткого замыкания разогрев неизбежен и важно вовремя перевести микросхему в выключенное состояние.
Ситуацию с перегревом усугубляет и пластиковый корпус, который весьма плохо отводит тепло. Кроме того, топология кристалла прошла серьезную оптимизацию, чтобы разместить максимум функционала на минимальной площади.
Гарантированный диапазон температур, в котором должна функционировать микросхема: –40…85 °C. В К5559ИН86SI порог срабатывания термодатчика расположен в районе температуры 165 °С – при достижении этого значения произойдет выключение микросхемы.
Значение 165 °С выбрано исходя из того, что при такой температуре кристалл гарантированно не получит повреждений и продолжит функционировать после остывания.
Рабочий же диапазон температур в документации приводится относительно температуры окружающей среды.
Проверка работы микросхемы при различных температурах выполнялась при помощи испытательной камеры тепла и холода SU‑262 компании ESPEC (рис. 11). Камера позволяет задать температуру от –60 до 150 °C. В процессе измерений проверялось, какой запас по температуре есть у кристалла в рабочем режиме.
Ко входу микросхемы подключался генератор и анализировался сигнал на выходе (рис. 12). Результаты измерений показали, что во всем диапазоне температур от –60 до 125 °C схема функционировала нормально. Однако остается вопрос, каков запас по температуре. Для того чтобы ответить на него, нужно понять какова температура самого кристалла. Для ее измерения был разработан следующий подход.
Практически во всех микросхемах существует ESD-защита (защита от электростатических разрядов). В простейшем случае она представляет собой два диода, используемых в обратном включении (один на «землю», другой на «питание»). Воспользуемся тем, что падение напряжения на диоде (p-n-переходе) зависит от температуры. Используем схему включения, показанную на рис. 13.
Задача стоит следующая: построить зависимость напряжения на диоде от температуры, что поможет вычислить температурный коэффициент. Измерения производились в режиме с выключенной схемой: питание на микросхему не подавалось (VDD = 0); к цифровому выводу DI подключался источник тока 10 мкА. Это исключает саморазогрев микросхемы, то есть позволяет откалибровать температурную шкалу для данного образца.
В результате измерений (с использованием той же камеры тепла и холода) была получена зависимость, показанная на рис. 14. Значение температурного коэффициента напряжения составило 1,78 мВ / °C.
Откалибровав шкалу, можно перейти к оценке разогрева микросхемы внутри пластикового корпуса в рабочем режиме при штатных нагрузках и в случае короткого замыкания выходных каскадов. Режим измерения следующий:
- напряжения питания (VDD) 5,5 В;
- вывод nRE – низкий уровень, вывод DE – высокий уровень;
- тестируемый вывод – DI;
- установленный на источнике ток диода (Idiode) – 10 мкА;
- нагрузка – 54 Ом.
Может возникнуть вопрос: почему нельзя было заложить в схему специальный тестовый режим для измерения температуры? Однако именно описанный подход позволил сравнить микросхему К5559ИН86SI с аналогом – микросхемой MAX1478 (которая является для нас «черным ящиком») (табл. 2).
На основе результатов измерений можно сделать два вывода:
- кристалл нагревается в рабочем режиме на 26 °C при температуре внешней среды 100 °C (то есть до порога срабатывания термозащиты (165 °С) еще далеко);
- в режиме короткого замыкания термозащита срабатывает уже при температуре окружающей среды 55 °С, но микросхема не выходит из строя и через некоторое время после того, как она охлаждается – может снова функционировать.
Таким образом, было экспериментально подтверждено, что разработанные схемотехнические решения надежно защищают микросхему от нештатных ситуаций (таких как КЗ или конфликт драйверов) и не оказывают влияния на штатные режимы ее функционирования.
Литература
К5559ИН10БSI. – https://ic.milandr.ru/products/mikroskhemy_v_plastikovykh_korpusakh/k5559in10bu_so_8/
К5559ИН86SI. – https://ic.milandr.ru/products/mikroskhemy_v_plastikovykh_korpusakh/k5559in28asi-okr-interfeys‑51-/
Шумилин С. Микроконтроллер АО «ПКК Миландр» на базе процессорного ядра RISC-V для приборов учета электроэнергии // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2021. № 3. С. 92–96.
Скоростной АЦП с нуля. 16 бит за 10 лет. –
https://habr.com/ru/company/milandr/blog/530662/
Микросхема приемопередатчика по стандарту RS‑485 К5559ИН86SI, К5559ИН86Н4. – https://ic.milandr.ru/upload/iblock/848/%D0%9A5559%D0%98%D0%9D86SI.pdf
Отзывы читателей
