オンラインの技術質問ページ、TI E2E™ Communityにいただいた質問から、絶縁型RS-485トランシーバの設計課題に関する、よくある質問リストを作成しました。このリストから、RS- 485において信号および電力を絶縁する際に有益な見解を得ていただければ幸いです。
1. RS-485バスの絶縁が必要なのはどのような時ですか？
絶縁は、システム内の2つの部品間における直流電流（DC）と不要な交流電流（AC）の流れを阻止する一方、2つの部品間の信号と電力の転送は行います。一般的に、絶縁は電気部品や人を危険な電圧や電流サージから保護します。人の安全のための絶縁を強化絶縁と呼びます。絶縁により、長距離のノード間通信において一般的なグラウンドループは形成されません。また、絶縁により、RS-485規格の規定値よりも大きい接地電位差を有するノード間での通信が可能になります。
2. RS-485バスには何個のノードを接続できますか？
許容されるバス負荷の最大数を推定するために、RS-485は単位負荷（UL）という概念を取り入れています。具体的には、約12kΩの負荷インピーダンスです。米国電気通信工業会/米国電子機械工業会（TIA/EIA）RS-485規格では、1つのRS-485バスに最大で32 UL接続できるようにすることが定められています。1つのノードのULは、等式1に示されるように、入力電圧の最悪の場合の比率をリーク電流で割って算出されます。
ノードのULが判明すると、等式2によって最大ノード数が算出されます。
TIのほとんどの絶縁型RS-485トランシーバのULは1/8となっています。つまり、1つのRS-485バス上に最大で256個のノードを接続できることになります。
ULおよびRS-485バスに接続できる最大ノード数の詳細については、Analog Applications Journalの英語記事、“The RS-485 unit load and maximum number of bus connections”を参照してください。
3. 絶縁型RS-485の速度と長さの相関関係はどうなっていますか？
信号レート（速度）とケーブルの長さの間には反比例の関係があります。実際の関係は、ケーブル自体の抵抗とインダクタンスに依存します。RS-485ネットワークを構築する際には、必要な距離の信頼できる通信を確保する上で、ケーブルの選択がトランシーバの選択と同様に重要となる場合があります。図1は、信号レートとケーブルの長さの相関関係を図示したものです。図中の「3」の部分では、ケーブルの長さは信号レートに依存しないことを示しています。この部分では、ケーブルのDC抵抗が信号の減衰の原因であり、これによって最大通信距離は制限されます。「2」の部分では、伝送路損失のため、信号レートとケーブルの長さが反比例の関係となっています。伝送路損失は、ケーブルが長くなればなるほど大きくなります。「1」の部分になると、伝送路損失は無視することができます。この部分では、ドライバの立ち上がり／立ち下がり時間が最大信号レートを制約する主な要因です。RS-485規格では、最大信号レートを10Mbpsとすることが推奨されていますが、現在の技術では、50Mbps程度の信号レートでの通信も可能です。
図1：信号レートとケーブルの長さの関係
4. フェイルセーフ・バイアスとは何ですか？ そのための設計はどのようになっていますか？
RS-485規格に準拠するためには、差動入力（VID）が200mVを超えた時にはレシーバがロジック・レベル・ハイを出力し、VIDが-200mVを下回るときにはロジック・レベル・ローを出力するようにしなければなりません。しかし、次のようなシナリオでは、意味のない無効な出力が生成されてしまう可能性があります。
- ケーブルの破損やコネクタの切り離しなど、オープン・バスの状態
- ケーブル絶縁の破損によるツイスト・ペアの短絡など、短絡バスの状態
- バス上に駆動しているドライバが存在しない、アイドル・バスの状態
これらのいずれかのシナリオでは、終端伝送路に対し、RS-485レシーバのVIDはゼロとなり、フェイルセーフ非対応のレシーバの場合の出力は不正確なものとなります。
フェイルセーフ・バイアスは、レシーバの出力をロジック・レベル・ハイで維持するために、アイドル・バスに差動電圧を作り出します。フェイルセーフ・バイアスがない場合、終端抵抗によってバス電圧が0Vとなり、不正確な出力または信号振動が生じる可能性があります。RS-485トランシーバと併せて抵抗ネットワークを使用することで、フェイルセーフ・バイアスを設計できます。TIの絶縁型RS-485トランシーバにはすべて、オープン・バス、短絡バス、あるいはアイドル・バスに備えたフェイルセーフ・バイアスが統合されているため、この機能を実現するために外付けの回路が必要となることはありません。
5. RS-485バスに終端抵抗が必要なのはどのような場合ですか？ また、システムにとってのメリットとデメリットは何ですか？
ほとんどのRS-485用途では、信号反射を防ぐために、終端抵抗がケーブルの特性インピーダンスと一致しています。終端抵抗は、RS-485ケーブルの各末端に設置することになります。短距離通信では終端抵抗なしでもネットワークが正常に動作することもありますが、すべての用途において、伝送路に終端抵抗を設置するのがベスト・プラクティスです。終端抵抗のデメリットは、抵抗によるDC損失です。これはシステム内の電力損失増加の原因となります。ただし、このようなデメリットがあるとしても、ほとんどの用途に対して終端抵抗は優れた手段だと言えます。
6. 絶縁型RS-485デバイスには、どのような過渡現象保護が必要ですか？
絶縁型RS-485デバイス上の過渡現象保護は、静電放電（END）、高速過渡現象（EFT）あるいはサージなど、最終システム内で予期される妨害の種類と必要とされる保護レベルによって異なります。TIの絶縁型RS-485トランシーバ・ポートフォリオでは、フローティング絶縁接地の観点からトランシーバ・バスの終端に一定レベルの内部過渡現象保護が統合されています。これに加え、適切なシステム設計では、絶縁バリアを使用し、これらの過渡現象に対して高いインピーダンスを提供できます。お使いのシステムにおいて差動過渡現象が想定されず、すべての過渡現象が末端の装置の接地という観点からすべての過渡現象を調査する場合、保護接地（PE）を絶縁型トランシーバのロジック側に接続すると、すべての高電圧過渡が絶縁バリアに沿って生じるというシナリオが得られます。PEをロジック側に接続すると、過渡電圧抑制（TVS）ダイオードまたはパルスプルーフ抵抗などの外付けコンポーネントが不要となる場合があります。
図2は、『ISO 1410』を利用した過渡現象保護強化のためのこれらのテクニックを図示したものです。
図2：最適なバス保護コンポーネントを搭載した半二重絶縁型RS-485トランシーバ
7. 絶縁型RS-485ノードにおいて絶縁電源はどのように生成しますか？
絶縁型RS-485ノードにおいて絶縁電源を生成するには複数のオプションがありますが、最適なソリューションは、具体的な用途のニーズによって異なります。
1つのオプションは、TIの『SN 6501』などのトランス・ドライバを利用する方法です。これは、セカンダリ側に変圧器とオプションの整流低ドロップアウトレギュレータ（LDO）を配し、プッシュプル構成で動作します（図3）。『SN 6501』は、1.5W程度を配電し、絶縁電源を生成することができます。このデバイスには、ほぼすべての用途で利用できるという柔軟性があります。それは、変圧器および巻数比により、電源供給に必要な絶縁定格と出力電圧を提供することができるためです。追加デバイス用の絶縁電源が必要な場合は、出力電力が5Wになる『SN 6505』を『SN 6501』の代わりに使用することもできます。『SN 6505』には、過負荷および短絡回路、サーマル・シャットダウン、ソフト・スタート、およびスルーレート制御などの追加の保護機能が搭載されており、堅牢なソリューションが実現しています。
図3：『SN6501』を使用した『ISO 1410』向けの絶縁電源
スペース面で制約のある用途向けのもう1つのオプションが、ISOW78xxファミリーの使用です。これらのデバイスは、スモールアウトライン集積回路（SOIL）16パッケージで信号および絶縁電源を提供します。『ISOW 7841』は、「信号および電力が統合された絶縁型RS-485のリファレンス・デザイン」に記載されているように、非絶縁型RS-485トランシーバと組み合わせることができます。この組み合わせはコンパクトであり、変圧器を必要としないため、認証が容易になります。詳細は、『ISOW 7841』のオンライン製品フォルダで利用可能なすべての資料をご覧ください。
図4：『ISOW 7841』を利用し信号と電力を統合した絶縁型RS- 485
参考資料
- 絶縁ソリューションの詳細はこちら
- 技術資料（英語）“how to isolate signal and power for an RS- 485 system”
- TI E2E コミュニティ（英語）“Digital Isolators forum”もご覧ください。
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※上記の記事はこちらのBlog記事（2018年7月26日）より翻訳転載されました。
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