如何为MAXM22511隔离式RS-485收发器模块设计和布局EMI优化的PCB
简介
本文介绍了MAXM22511隔离式RS-485/RS-422，全双工收发器模块，为数据和电源通道提供完整的隔离解决方案，提供2500V有效值（60s）电缆侧（RS-485/RS-422驱动器/接收器侧）和设备的UART侧之间的电气隔离。
集成的 DC-DC 转换器无需外部变压器即可为模块的电缆侧供电，从而节省电路板空间并提高系统性能。无需外部组件，这些模块可在非常小的占用空间内提供大量功能。对于需要满足严格的电磁兼容性 （EMC） 准则的设计人员来说，集成高频开关 DC-DC 可能是一个问题。Maxim设计了EMI优化板，并对MAXM22511的辐射噪声进行了内部测量。本应用笔记讨论了设计技术，并将结果与两款竞争IC进行了比较（在竞争对手EMI优化的评估板上进行了测试）。还包括MAXM22511 EMI优化布局指南。
集成的演变
入门：分立解决方案
最初的ANSI/EIA/TIA-485-A-1998（RS-485）标准是为了解决RS-232和RS-422的缺点而创建的。RS-485是一种双向标准，在一条总线上具有多个驱动器和接收器，其中每个驱动器都可以放弃或驱动总线。 RS-485结合了点对点RS-422标准的规格，但更坚固，这使得RS-485成为工业应用的理想选择。
为了在恶劣环境中实现可靠通信，典型的RS-485通信模块需要微控制器、隔离栅（即图1中的光耦合器）、收发器（半双工或全双工）和电缆。电路的逻辑侧和隔离侧都需要电源。从历史上看，这些组件中的每一个都是离散完成的（图 1）。分立电路虽然在某些特殊情况下是最佳的，但往往又大又昂贵。使用许多元件需要大量的电路板空间以及额外的BOM和组装成本。 虽然分立式构建模块电路仍在一些有限的应用中使用，但多年来越来越多地被高级集成解决方案所取代。例如，光耦合器可以用Maxim的数字隔离器代替，后者具有更高的数据速率、更低的功耗和更小的尺寸。集成解决方案（IC或模块）具有多种优势，包括更小的尺寸/尺寸、更低的成本、高可靠性和低功耗。
图1.离散 RS-485/RS-422 通信模块。
第一级集成：集成收发器和变压器驱动器
Maxim推出了一系列用于可靠通信的隔离式RS-485/RS-422收发器，其中包括业界通用的标准RS-485功能（例如，数据速率高达25Mbps，压摆率受限收发器可实现更好的EMI性能）。这些收发器集成了一个 2.5kV 或 5kV 隔离边界、一个半双工或全双工 RS-485 收发器以及一个变压器驱动器，为器件的隔离（或 RS-485 通信）侧供电（图 2）。
通过集成数据和电源控制器模块，这些收发器减少了可靠通信应用的总体占用空间。
图2.集成 RS-485/RS-422、隔离和变压器驱动器通信模块。
最后的前沿：全集成模块
Maxim最新的可靠通信器件MAXM22511是一款完全集成的隔离式RS-485/RS-422全双工收发器模块。该收发器无需外部元件，以Maxim在RS-485领域久经考验的领先地位为基础，将通信和电源配对，成为市面上最小的鲁棒高性能通信解决方案（图3）。
图3.RS-485/RS-422与MAXM22511完全集成。
MAXM22511集成了工业RS-485系统所需的所有模块（例如，隔离栅、收发器和隔离电源）。数据隔离采用Maxim专有的电容隔离技术实现。集成的 DC-DC 和 LDO 为电路的隔离侧提供稳压电源（图 4）。内部变压器基于铁氧体磁芯，有助于减少不必要的EMI辐射。该模块的主要特性包括集成变压器（完成隔离电源）、60% DC-DC 效率、2.5kV有效值RS-485 I/O上的隔离和±35kV ESD保护。
MAX22511方案具有9.35mm x 11.5mm的占位面积（无需外部元件），功耗更低，具有高水平的ESD保护。该收发器是一款强大的单组件解决方案，可满足隔离式工业接口的数据和电源需求。
图4.MAXM22511功能图.
表 1.Maxim隔离式RS-485解决方案的演变
| 离散 溶液 |
第一代 集成解决方案 |
完全集成的解决方案 |
|
| 描述和关键 IC： |
MAX13487ERS-485 收发器 |
MAX14949隔离式RS-485，集成变压器驱动器 |
MAXM22511RS-485，具有隔离的数据和电源 |
| MAX256变压器驱动器 |
变压器 |
||
| LDO MAX1659 |
|||
| 变压器 |
|||
| 两个光耦合器 PS9151-A |
|||
| 集成电路/元件数量 |
6 |
2 |
1 |
| 代表性评估板 |
MAX13487EEV套件 |
MAX149X2评估板 |
MAX322511评估板 |
| 印刷电路板总面积 |
2500毫米2 |
100毫米2 |
100毫米2 |
表 1.Maxim隔离式RS-485解决方案的演变
MAXM22511优化设计和布局
MAXM22511评估板设计灵活，支持测试和原型设计电路，以验证MAXM22511的功能，并且未针对最低EMI性能进行优化。由于PCB布局和元件选择在设计电路或产品以实现最佳EMC/EMI性能时至关重要，Maxim还设计了两款EMC/EMI优化板（MAXM22511引脚和MAXM22511 NO_STITCH EVAL板），用于内部评估辐射噪声（图5）。请联系Maxim，索取这些电路板的可用性。
图5.MAXM22511 EMI测试板原理图
Maxim的EMC/EMI优化板采用三种设计技术来提高EMC/EMI性能：
集成浮动拼接电容（仅限拼接板）
边缘防护/通孔保护环
EMI 优化组件选择
在这两块板中，只有STITCH板在内层设计了一个集成的浮动焊接电容器。两块板均包括跨越隔离栅的安全Y电容。
浮动焊盘电容
EMI性能差通常见于具有隔离栅的电路板。当信号穿过PCB上的走线时，在信号层下方的接地层上形成镜像电荷。当电荷镜像被迫停止时，例如在隔离栅处，在PCB中产生差分电流和电压并产生EMI。
当PCB中的两层重叠时，形成电容器。PCB层可以专门放置和调整尺寸，以产生称为旁路电容的东西（图6）。PCB中的旁路电容允许沿信号电流路径的镜像电荷保持稳定，从而减少高开关信号，而不会增加PCB的额外成本。这种类型的电容器的两个平行板之间的电感非常低，并且电容分布在大面积上。
图6.样本旁路电容布局。
电路板的针迹电容计算公式为C针 = C1||C2 + C3||C4.
各层之间的每个电容计算为 C = （l × w × ε0 × εr）/d
其中ε0是一个常数 （8.854 × 10-12F/m） 和εr由PCB材料决定。对于 FR4，εr= 4.5（典型值）。
MAXM225511 STITCH评估板上的浮动旁路电容由内层上的隔离铜岛组成，该铜岛与收发器模块电缆侧和UART侧的接地层重叠。使用上述公式，MAXM22511信号沟道评估板的旁路电容约为49pF。
图7.MAXM22511 EMC/EMI优化的电路板布局。顶部（左上）、第 1 层（右上）、拼接电容器的第 2 层（左下）和底部（右下）。
边缘保护/过孔保护环
PCB中接地层和电源层上的噪声在到达电路板边缘时会辐射。虽然有帮助，但使用边缘保护或围绕接地层的通孔保护环具有显着的权衡，因为边缘保护减少了旁路电容层上的面积。在某些情况下，可能需要稍微增加电路板尺寸才能获得最佳的旁路电容。Maxim在EMC/EMI优化板的GNDA和GNDB层边缘使用通孔保护环。
EMI 优化的元件选择
要优化 PCB 板以进行 EMC/EMI 测试， 请特别注意电路的元件选择
.MAXM22511不需要任何额外的外部元件即可工作，但EMC/EMI优化板包括一些用于访问数字信号的跳线和接头，以及用于RS-485/RS-422总线连接的DB9连接器。使用的针座结构紧凑，布局和布局受到严格控制，以避免损害PCB的EMC/EMI功能。DB9 连接器包括一个内部铁氧体滤波器，有助于抑制电路板开关噪声。
隔离栅之间的高dv/dt切换会导致电流在寄生电容中流动。如果这些意外路径具有较大的环路面积，则流过环路的电流会辐射，从而导致电磁干扰（EMI）。安全等级（5kV峰Y2电容器放置在GNDA和GNDB之间，以帮助降低这种噪声。这些电容器为寄生电流流过创造了一条具有小环路面积的短路径，从而降低了电路板上产生的EMI。
MAXM22511 电磁兼容/电磁干扰性能
Maxim的STITCH与NO_STITCH Maxim对MAXM22511 STITCH评估板和MAXM22511 NO_STITCH
评估板的内部EMC/EMI评估如图8a和图8b所示。虽然所有测量都通过了CISPR 11要求，但使用旁路电容可以消除任何高频噪声。
请注意，测试是在施加到 TXD 的 1MHz 开关信号下完成的（DE = VDDA，RE = GNDA，Y 和 Z 之间的 60Ω 负载，以及环回配置）。
图 8a. MAXM22511 EMI 优化NO_STITCH评估板测量
图 8b. MAXM22511 EMI 优化的引脚评估板测量值。
总结
MAXM22511模块提供RS-485通信和集成DC/DC电源，可在恶劣的工业环境中实现可靠的通信。Maxim专有技术和EMI优化PCB布局相结合，确保该收发器模块即使在不使用路口电容PCB的情况下，也能为噪声敏感型应用提供最佳的EMI性能。