西門子6EP1961-2BA00

新型小巧的LOGO！電源占用空間更小，功能更強(qiáng)大：在各種負(fù)載條件下均能保持高效率，空轉(zhuǎn)時的功率損失可以減半。寬范圍輸入可實(shí)現(xiàn)在交直流電壓下的運(yùn)行，*的負(fù)載沖擊電流適應(yīng)性，且工作溫度范圍可達(dá)到 +70 °C。模塊化的微型設(shè)計(jì)，使該電源具有高度的靈活性，節(jié)省了用戶的設(shè)計(jì)空間。由于其短小，階形外形可廣泛應(yīng)用于安裝配電箱中。

對硬件工程師而言，電源是不可避免的，甚至是整個板子最重要的模塊。不同的PCB，各種各樣五花八門的電源模塊，做過的見過的也不少，但總的歸類來講，一般的DCDC電源轉(zhuǎn)換模塊也就不外乎開關(guān)電源模塊和線性電源模塊兩種，其他的變化總是萬變不離其宗。

　　后面幾篇文章就主要介紹一下這兩種電源模塊的原理和layout注意事項(xiàng)。至于AC-DC轉(zhuǎn)換，或者其他相對偏門的POE電源，都不在本次的規(guī)劃之內(nèi)了。

　　開關(guān)電源簡介

　　首先介紹的是開關(guān)電源。說到開關(guān)電源就不能不提到兩個單詞buck和boost。感覺不管什么詞，只要變成英文就顯得特別高大上，其實(shí)這個對應(yīng)的就是降壓開關(guān)電路和升壓開關(guān)電路。再用更接地氣的說法來講，就是串聯(lián)開關(guān)電路和并聯(lián)開關(guān)電路。一下子就把層次拉到熟悉的初中物理知識了，簡化電路如下圖所示：

　　開關(guān)電源顧名思義就是通過控制晶體管的導(dǎo)通截止來轉(zhuǎn)換電壓，由于部分時間工作在截止?fàn)顟B(tài)，功耗比較小，發(fā)熱也比較小。所以相較與線性電源模塊而言，效率比較高，發(fā)熱也沒有那么厲害。

　　開關(guān)電源的工作原理其實(shí)比較簡單：當(dāng)晶體管基極為高電平時，晶體管飽和導(dǎo)通，等效電路如圖3所示，此時電感L儲存能量，電容C充電。當(dāng)晶體管基極為低電平時，晶體管截止，等效電路如圖4所示，此時電感L釋放能量，電容C放電。通常我們的PCB板上還有采樣電路，反饋電路，以此來調(diào)節(jié)基極控制電壓的占空比，來達(dá)到穩(wěn)壓的目的。同時，由于負(fù)載和晶體管串聯(lián)，輸出電壓小于輸入電壓，所以又叫降壓開關(guān)電路（buck開關(guān)電路）。對應(yīng)的并聯(lián)開關(guān)電路原理相似，同時由于晶體管并聯(lián)，電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與電壓相疊加后作用于負(fù)載，所以輸出電壓會高于輸入電壓。

　　實(shí)際的開關(guān)電源電路圖一般如下圖所示：一般開關(guān)電路在PCB中主要包涵輸入濾波，開關(guān)電路，控制電路，輸出濾波四個主要部分，其中紅色框是主電流通道，包含輸入濾波，開關(guān)電路，輸出濾波三個重要的部分，其余部分為控制電路，其中需要重點(diǎn)關(guān)注的部分為采樣電路和反饋電路。

　　濾波電路對于開關(guān)電源是很重要的，因?yàn)槟K本身電源轉(zhuǎn)換時通過晶體管的開關(guān)來控制的，那么開關(guān)的過程中就會產(chǎn)生尖峰脈沖干擾。輸入濾波一般應(yīng)該包括大容值電容和小容值電容，小容值電容靠近晶體管放置，能給晶體管內(nèi)部高頻電流提供到地的回路。大容值的電容則能給晶體管輸入平穩(wěn)的直流穩(wěn)壓電源。而輸出部分的大容值電容則是用于給負(fù)載提供平穩(wěn)的直流電源。在負(fù)載電阻發(fā)生變化時，由于開關(guān)電路需要通過采樣、反饋，調(diào)節(jié)占空比的方式來調(diào)整輸出電壓，不能隨時調(diào)整，所以需要一個大容值電容充放電來緩沖

按照Profibus的規(guī)范，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的硬件設(shè)備超過32個，或者波特率對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)通訊距離已經(jīng)超出規(guī)定范圍時，就應(yīng)該使用Profibus RS485中繼器來拓展網(wǎng)絡(luò)連接。中繼器設(shè)備使用起來比較簡單，這里僅就使用過程中容易出現(xiàn)問題的地方進(jìn)行介紹。

1  RS485中繼器的介紹

首先還是介紹一下RS485中繼器的面板：

圖1    RS485中繼器

其中：

1)     RS485中繼器的電源端子。其中“M5.2"是信號線“A、B"的 “信號地"；

2)     網(wǎng)段1和網(wǎng)段2的電纜屏蔽層接地；

3)     網(wǎng)段1的信號線端子；

4)     網(wǎng)段1的終端電阻設(shè)置；

5)     網(wǎng)絡(luò)開關(guān)，用于接通和斷開網(wǎng)段1、2；

6)     網(wǎng)段2的終端電阻設(shè)置；

7)     網(wǎng)段2的信號線端子；

8)     背板安裝；

9)     用于PG/OP連接到網(wǎng)段1的接口；

10)   LED 24V 電源指示燈；

11)   網(wǎng)段1的工作指示LED；

12)   網(wǎng)段2的工作指示LED；

2      RS485中繼器的功能

2.1 網(wǎng)段的劃分

RS485中繼器上下分為兩個網(wǎng)段，其中A1/B1 和 A1’ / B1 ‘ 是網(wǎng)段1的一個Profibus接口，A2/B2 和 A2’ / B2 ‘ 是網(wǎng)段2的一個Profibus接口，PG/OP 接口屬于網(wǎng)段1；信號再生是在網(wǎng)段1和網(wǎng)段2之間實(shí)現(xiàn)的，同一網(wǎng)段內(nèi)信號不能再生；兩個網(wǎng)段之間是物理隔離的，因而RS485中繼器除了擴(kuò)展網(wǎng)段外，還有一個作用就是可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)隔離。

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/span>

A1/B1 和 A1’ / B1 ‘其實(shí)是一個Profibus接口的進(jìn)口/出口的接線端子，就像Profibus接頭的進(jìn)口/出口一樣，因而也涉及到終端電阻的設(shè)置問題，這也往往是在使用過程中容易出現(xiàn)錯誤的地方，這里做個詳細(xì)的說明：

1） 中繼器做為終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)拓展

圖2  中繼器的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展連接

在這個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，中繼器連接了網(wǎng)段1和網(wǎng)段2，由于中繼器內(nèi)部是隔離的，因而做為網(wǎng)段1來講，中繼器就是該網(wǎng)段的一個終端設(shè)備，因而在網(wǎng)段1中，應(yīng)該將Profibus網(wǎng)線接在A1/B1上，同時網(wǎng)段1的終端電阻設(shè)置為“On"；而網(wǎng)段2與網(wǎng)段1類似，也需要將電纜連接在A2/B2上，同時終端電阻設(shè)置為“On"。

 西門子網(wǎng)絡(luò)部件12M PROFIBUS中繼器

由于在一個RS485物理網(wǎng)段中，只能夠連接32個物理設(shè)備，但RS485 中繼器本身也是一個特殊的DP從站設(shè)備，在網(wǎng)段1和網(wǎng)段2中，都分別占用一個物理位置（但不用分配站號），因而實(shí)際在這兩個網(wǎng)段中都只能再連接31個DP主站/從站設(shè)備。

這些都是物理連接上的限制，在STEP7組態(tài)中，網(wǎng)段1和網(wǎng)段2都屬于同一個邏輯網(wǎng)絡(luò)。整個網(wǎng)絡(luò)上從站的連接個數(shù)取決于DP主站的連接個數(shù)（包括RS485中繼器、OLM等設(shè)備）。

中繼器擴(kuò)展的距離，假設(shè)1.5M bps的波特率時，通訊距離為200米，則網(wǎng)段1從遠(yuǎn)站到中繼器網(wǎng)段1之間的距離為200米，而從中繼器的網(wǎng)段2到遠(yuǎn)站還可以再擴(kuò)展200米，這樣整個網(wǎng)絡(luò)的距離為400米。

2）  中繼器的一個網(wǎng)段做為中間設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)拓展

圖3  中繼器的一個網(wǎng)段做為中間設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)拓展

該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，網(wǎng)段1仍然時正常的連接，但網(wǎng)段2不是網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備了，而是網(wǎng)絡(luò)中間的一個設(shè)備，此時終端電阻應(yīng)當(dāng)設(shè)置在“Off"，而網(wǎng)段2上的兩個終端設(shè)備應(yīng)分別設(shè)置終端電阻。

在這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，網(wǎng)段1的連接方式和距離和上一種方式相同，但網(wǎng)段2的擴(kuò)展距離是從網(wǎng)段2的左、右兩個終端站點(diǎn)之間的距離（1.5M bps時200米）。

3）  中繼器在的兩個網(wǎng)段內(nèi)都做為中間設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)拓展

圖4  中繼器在的兩個網(wǎng)段內(nèi)都做為中間設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)拓展

此時，網(wǎng)段1和網(wǎng)段2都按照上一種拓?fù)渲芯W(wǎng)段2的方式進(jìn)行連接和拓展。即終端電阻為“Off"，網(wǎng)段1的總長度為200米（1.5M bps），網(wǎng)段2的總長度也為200米（1.5M bps）。兩個網(wǎng)段之間是電氣隔離的。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的終端站出現(xiàn)斷電情況時，終端電阻也因無法得到電源而丟失（其實(shí)是電阻值發(fā)生變化），這將導(dǎo)致信號中斷或者出現(xiàn)亂碼，從而影響到另外一個網(wǎng)段甚至整個網(wǎng)絡(luò)的通訊質(zhì)量，因而建議可以將兩個網(wǎng)段斷開，這樣可以避免網(wǎng)段之間的相互干擾。

3  中繼器的隔離接地

由于網(wǎng)段之間是隔離的，因而如果 斷開PE端時，可以將兩個網(wǎng)段分別按照接地和不接地的兩個網(wǎng)段進(jìn)行連接操作。