RS485 네트워크는 산업용 제어 시스템에서부터 가변 교통상황 메시지 보드에 이르는 애플리케이션에서 통신을 위한 백본을 제공한다. 높은 전압이 사용되는 환경의 경우, 일반적으로 사용자 안전과 장비 보호를 위해 통신 버스에서부터 로직 컨트롤러까지 전기적 절연이 채용된다.

Jeff Marvin / 리니어 테크놀로지 설계 센터 관리자
Brian Jadus / 리니어 테크놀로지 혼합 신호 제품 선임 설계 엔지니어

대개의 경우, 위험한 전압들로부터 시스템을 간단하게 보호하는 것보다는 시스템 성능에 영향을 미치는 절연의 이점이 간과되는 경향이 있다. 이러한 이점들은 비절연 시스템을 동작하지 않게 만들 수 있는 열악한 접지 변화와 기타 시스템 수준의 잡음이 존재하는 경우에도 에러가 없는 연속적인 통신 형태로 나타난다.
몇몇 제조업체들이 절연 RS485 트랜시버를 제공하고 있다. 대부분의 이러한 솔루션들은 데이터 절연을 제공하지만, 버스 인터페이스를 구동하는데 필요한 절연 전력을 제공하지는 않는다. 사용자는 해결책을 찾아야 하며, 절연 DC/DC 컨버터를 구성하기 위해 부피가 크고 값비싼 디스크리트 요소들이 필요하다. 절연을 통해 이점을 얻을 수 있는 시스템에서 전체 크기, 비용, 전력소모, 복잡도 등으로 인해 절연을 단념할 수도 있다.
리니어 테크놀로지의 신형 아이솔레이터 μModule® 기술은 작은 11.25mm x 15mm x 2.8mm 표면실장 패키지로 완벽한 전력 및 데이터 절연 솔루션을 제공한다(그림 1). LTM2881은 견고한 절연 RS485 트랜시버와 절연 DC-DC 컨버터를 통합하여 버스 인터페이스 회로와 보조 회로에 최대 1W의 전력을 전달할 수 있다. μModule 트랜시버는 외부 컴포넌트를 전혀 필요로 하지 않으며, 심지어 디커플링 커패시터와 전기적으로 스위칭 가능한 네트워크 단말 레지스터를 내장하고 있다.

접지 및 공통 모드 전압 장애
RS485는 최대 ±7V의 접지 전하 차이를 통해 트랜시버들 간의 통신을 지원할 수 있도록 개발 및 표준화되었다. 버스 상의 신호들은 모든 모드에서 국지적인 ‘접지’와 관련하여 -7V에서 +12V까지의 전압을 가질 수 있다. 이러한 접지 전하 차이는 부하 하에서 다른 회로들과 공유되는 접지 편차 또는 접지귀로(ground return) 상의 전압 강하 등과 같은 다양한 조건에서 발생할 수 있다.
일부 환경에서는 관련 없는 과도전류 이벤트가 ±7V을 초과하는 접지 이동을 생성할 수 있다. 이러한 조건들은 수신된 데이터에 에러를 유입시키거나 보다 심한 경우에는 트랜시버와 관련 시스템 회로를 손상시킬 수 있다. LTM2881 등과 같은 절연 트랜시버를 적절히 사용한다면, 사용 가능한 공통 모드 전압(접지와 관련된 차동 신호 라인의 전압을 의미함)을 ±560V(연속) 또는 ±3500VDC(60초)로 확장시킬 수 있다. 이러한 수준의 절연은 복수의 빌딩에 전개되어 있는 네트워크에 대한 간접적인 낙뢰 등과 같은 심각한 전압 장애에 대한 보호 기능은 물론 연속적인 통신을 제공한다.
저항성 접지와 신호 장애는 RS485 버스 와이어에 가까이에 라우팅된 AC 전력 라인에 대한 결합으로 인한 것일 수 있다. 컴퓨터, 프린터, 형광등, 가변 속도 모터 드라이브, 기타 전기적 비선형 부하 등은 상당한 주파수 고조파를 전력 분배 중성선(power distribution neutral), 접지 라인, 통신 네트워크 와이어 등으로 유입시킨다. 이러한 장애들은 절연이 완화된 RS485 네트워크에서 실제 데이터 에러의 원인이 될 수 있다.

송신은 되지만 수신은 되지 않는 것
비절연 및 절연 네트워크를 위한 RS485 배선 구성을 (그림 2)에 나타내었다. 간단하게 말하면, 그림은 P2P 단방향 통신을 제시하고 있지만, 개념을 멀티-노드 네트워크에도 적용할 수 있다. (그림 2a)는 저비용 카테고리 5e(Cat 5e) 케이블링을 통해 구현한 비절연 비차폐 연선(twisted pair) 연결을 나타낸 것이다.
(그림 3)은 100ft의 케이블을 구동하여 드라이버와 수신기 사이에 접지 전위차를 유도하면서 이 네트워크의 여러 지점들에서 획득한 오실로스코프 파형을 나타낸 것이다. 트레이스 색상은 (그림 2)의 프로브 위치 색상과 동일하다. 모든 신호들은 수신기 출력의 접지와 관련하여 측정된다.
채널 3(녹색)은 DI에서 송신 드라이버로 가는 데이터 신호를 나타내며, 반면 채널 4(적색)은 전파 지연이 발생한 경우에만 데이터 입력이 이루어져야 하는 원격 트랜시버 RO 핀의 데이터 출력이다.
(그림 3)의 위에 있는 황색 트레이스는 7V의 진폭(14VPP)을 통해 접지들 사이에 유입된 사인파 전압 신호이다. 채널 2(청색)는100' 케이블을 횡단한 음의 수신기 입력의 ‘B’ 신호를 나타낸 것이다. ‘B’의 디지털 데이터는 결합된 큰 공통 모드 전압 신호에 비교해 거의 감지되지 않는다.
(그림 3)은 명확한 에러를 나타낸 것이다. 데이터 손실의 원인이 되는 2가지 요소가 있으며, 모두 RS485수신기의 유한 공통 모드 제거 성능과 관련이 있다. 우선, 공통 모드 신호의 고주파수 콘텐츠(여기에서는 1.2GHz 이하)는 대부분의 RS485수신기를 위한 공통 모드 제거 기능의 유효 대역폭을 초과한다.
다음으로 수신기에 나타나는 공통 모드 신호의 증폭은 -7V에서 +12V까지의 허용범위를 상당히 초과한다. 이러한 경우, 심지어 거의 끝에서 유입된 자극이 단지 ±7V의 전압 피크에 불과할지라도 100ft 와이어 끝에 나타나는 신호 증폭은 최대 ±20V까지 피킹한다. 이러한 증폭 피킹(peaking)은 네트워크 배선의 공진 주파수에서 최대화된다. 이것은 전송 라인과 같이 동작하지만 버스의 차동 특성을 말하는 것이 아니며, 공통 모드 임피던스와 관련된 특성이라는 사실에 주의해야 한다.
공진 주파수는 케이블 길이, 케이블 구성(예를 들어, 코일형, 직선형), 연결된 노드의 복잡한 임피던스 등으로 결정되는 함수이다. 흥미로운 점은 ±7V 공통 모드 신호가 주파수 콘텐츠, 증폭 피킹 등으로 인해 RS485 신호 전송을 손상시킬 수 있었다는 것이다.

절연 통신 동작
LTM2881 절연 RS485 트랜시버(그림 2c)로 RS485 트랜시버를 대체함으로써 (그림 4)에 상응하는 파형에서 명확하게 나타나는 데이터 변형 문제를 해결할 수 있다. 이 구성에서 수신기 입력에 인가된 공통 모드는 절연 배리어를 통해 대부분 형성된다. 수신기 절연 접지는 수신기 입력의 공통 모드 전압과 함께 이동하며, 간단하게 그 위를 통과한다. 결과적으로 수신기는 이것을 공통 모드 편차로 보지 않으며, 신뢰할 수 있을 정도로 차동 데이터를 연속적으로 감지한다.
(그림 4)에서 공통 모드 주파수가 2MHz까지 증가하여 케이블의 끝에서 수신기(청색 트레이스)로 신호 증폭을 일으켜 40VPP까지 대폭 증가될 수 있다. 이 공통 모드 전압 증폭은 RS485 표준에서 요구되는 사양보다 상당히 낮으며, 대부분 비절연 RS485 트랜시버에서 문제를 일으킨다.

배선 개선사항
배선을 위한 보다 좋은 방법으로는 다음에 설명할 모든 절연 접지 노드를 함께 연결하는 차폐 와이어나 공통 와이어를 사용하는 방법 등이 있다.
(그림 2b)는 Belden 9841 케이블 등과 같은 차폐 연선을 통해 연결된 비절연 네트워크를 나타낸 것이다. 접지 루프들을 생성하는 것을 방지하기 위해서 차폐물은 한 지점에만 연결되어야 한다. 차폐물을 수신기 접지에 연결함으로써 시스템 성능을 위한 최상의 션트(shunting)를 달성할 수 있다. 멀티-노드 비절연 네트워크의 경우, 마스터 노드가 일반적으로 차폐물 연결 위치이다. 차폐물은 신호 와이어에서보다는 접지에 결합된 에너지를 션트시키며, 노드들 간 접지 차이의 영향을 낮추지는 않는다.
절연 트랜시버와 함께 사용할 수 있는 최상의 배선 옵션을 (그림 2d)에 나타내었다. 각 노드에서 절연된 접지들은 모두 공통 와이어에 연결된다. 공통 연결은 한 지점에서 비절연 접지로 연결되어 공칭 전압 레퍼런스 수준을 구축하여 부동 네트워크(floating network)가 되지 않도록 해준다. 이를 통해 절연 등급 이상에서 버스가 부동 전압에서 과도한 전압으로 전환하는 것을 방지한다.
이러한 구성을 통해 RS485 수신기로부터 최고의 성능을 얻을 수 있는 데 수신기의 절연 접지 전위가 입력 신호의 공통 모드를 따라가서 절연 배리어에 흡수되기 때문이다. 수신기 접지는 신호와 함께 이동하기 때문에 수신기는 공통 모드 전압 과도전류를 제거하지 않아도 된다. 대신에 배리어를 따라 데이터가 유도적으로 결합되기 전에 LTM2881이 데이터를 차동 디지털 펄스로 인코드하는 절연 경계에서 리젝션이 나타난다. 이 통신 방법은 데이터 손실이나 지터 추가 없이 30kV/μs보다 빠