산업 제어 및 건물 자동화 분야에서 RS-485 통신은 차동 전송, 장거리 기능 및 뛰어난 간섭 방지 성능으로 널리 선호됩니다. 그러나 실제 엔지니어링에서는 통신 안정성에 영향을 미치는 "루프 임피던스"가 종종 간과되어 장비의 패킷 손실 및 통신 중단이 발생합니다. 이러한 문제를 해결하는 것은 시간과 노력이 많이 소요됩니다.
이 기사에서는 "생활 - 친근하고 이해하기 쉬운" 접근 방식을 통해 루프 임피던스가 무엇인지, 왜 그렇게 중요한지, 설계 및 디버깅 시 어떻게 최적화하는지에 대한 심층적인 이해를 돕고, RS-485 통신이 포장된 고속도로처럼 원활하게 이루어질 수 있도록 돕습니다.
집의 수도관 시스템을 상상해 보세요: 물 펌프(드라이버)가 물을 소비 지점(수신기)으로 밀어 넣고, 다른 파이프를 통해 물이 물 펌프로 돌아와 순환을 형성합니다.
파이프의 직경, 엘보, 분기 및 수압과 같은 요인은 모두 물의 원활한 흐름에 영향을 미칩니다. 회로의 "루프 임피던스"는 유사합니다. 신호가 송신단에서 시작하여 차동 쌍을 따라 전송되고, 수신단에 도달한 다음 송신단으로 돌아가는 전체 폐 루프에서 AC 신호에 가해지는 "저항"의 종합적인 표현입니다.
- 저항(R): 파이프의 직경에 의해 결정되는 마찰 저항과 같습니다.
- 인덕턴스(L): 파이프의 밸브 및 엘보와 유사하며, 신호가 변경될 때 "지연" 효과를 유발합니다.
- 커패시턴스(C): 에너지 저장 및 즉시 방출하여 변동에 영향을 미치는 물탱크 또는 물 저장 탱크에 비유할 수 있습니다.
RS-485 시스템에서 이러한 세 가지 요인의 결합된 작용 하에 있는 총 "루프 임피던스"는 신호의 품질과 신뢰성을 직접 결정합니다.
RS-485 통신 케이블은 일반적으로 120 Ω 차폐 연선 쌍을 사용합니다. 이는 물 흐름(전기 신호)의 손실을 최소화하기 위해 일정한 내경의 수도관을 선택하는 것과 같습니다.
120 Ω 저항은 각 라인의 양단에 병렬로 연결되어 신호 에너지를 "흡수"하고 "에코"를 방지합니다. 이는 파이프 끝에 소음 밸브를 설치하여 워터 해머를 방지하는 것과 같습니다.
여러 장치가 버스에 병렬로 연결되면 여러 분기를 파이프라인에 연결하는 것과 같습니다. 전체 임피던스가 감소하고 신호가 "분기"될 가능성이 높아져 수신단이 충분한 레벨을 수신하지 못할 수 있습니다.
각 커넥터, 각 TVS 다이오드 또는 각 보호 장치는 약간의 불연속성을 추가합니다. 이는 파이프 인터페이스의 조인트가 단단히 밀봉되지 않아 국부적인 누출 또는 막힘을 유발하는 것과 같습니다.
RS-485는 차동 통신이지만 접지선은 여전히 루프를 형성하며, 이는 공통 모드 간섭에 "초대받지 않은" 것입니다. 서로 다른 장치 간의 접지 전위차는 급수 시스템의 서로 다른 물탑 간의 수위차와 같으며, "역류" 또는 "교차 흐름"과 같은 문제를 일으킵니다.
임피던스 불일치는 신호가 반사벽에 부딪히는 것처럼 "반사"되어 파형 왜곡, 링잉 및 오버슈트를 유발합니다. 결국 수신기는 "1"인지 "0"인지 구별할 수 없습니다.
불안정한 임피던스는 파이프의 누수 증가와 같습니다. 장거리 또는 고속으로 전송할 때 손실이 더 심각하며, 신호가 목적지에 도달하기 전에 "소진"될 수 있습니다.
불연속 임피던스는 파이프의 틈과 같으며, 외부 전자기 간섭에 의해 "침투"될 가능성이 더 높아져 비트 오류율이 증가합니다.
드라이버는 신호 감쇠를 보상하기 위해 더 큰 전류를 출력합니다. 이는 물 펌프가 오랫동안 큰 유량으로 작동하면 더 빨리 마모되어 열 발생, 전력 소비 및 수명 위험을 초래하는 것과 같습니다.
핵심 원칙: 임피던스 연속성을 유지하여 포장된 도로처럼 평탄하고, 너비가 일정하며, 분기가 적게 만듭니다.
공칭 값 120 Ω의 차폐 연선 쌍을 사용합니다.
차폐층은 안정적으로 접지해야 합니다. 한쪽 끝을 접지할지 양쪽 끝을 접지할지는 실제 간섭 환경에 따라 신중하게 고려해야 합니다.
차동 쌍은 길이가 같고 간격이 같게 배선하여 한쪽이 너무 길어져 불균등한 임피던스가 발생하는 것을 방지해야 합니다.
PCB의 차동 트레이스는 접지면 분할을 가로지르지 않아야 하며, 동일한 레이어에 배치하거나 가능한 한 대칭 접지면을 사용해야 합니다.
120 Ω 종단 저항을 버스의 각 끝에 병렬로 연결합니다.
공통 모드 노이즈를 억제해야 하는 경우 "분할 종단"을 사용할 수 있습니다. 두 개의 60 Ω 저항을 직렬로 연결하고 중간점에 작은 커패시터를 접지에 병렬로 연결하면 신호 경로에 "소음기"를 추가하는 것과 같습니다.
버스가 유휴 상태일 때 수신기 출력을 안정적인 알려진 레벨(일반적으로 논리 "1")로 유지합니다.
풀업 저항을 추가하여 차동 라인 A를 풀업하고 풀다운 저항을 추가하여 차동 라인 B를 풀다운하여 라인이 끊어지거나 아무도 전송하지 않을 때 신호가 부동하는 것을 방지할 수 있습니다.
"선형 토폴로지"(직선)를 우선적으로 사용하고 물리적 끝에만 종단 저항을 설치합니다.
별 모양, 링 모양 또는 너무 많은 긴 분기를 피하십시오. 이는 교통 체증을 방지하기 위해 간선 도로에 무작위로 분기를 삽입하는 것을 피하는 것과 같습니다.
신호 에지가 빠를수록(가파를수록) 반사가 더 심각합니다. 장거리 전송의 경우 슬로프 제한 트랜시버를 사용하거나 전송 속도를 적절하게 줄여 "도로 상태"에 "차량 속도"를 맞출 수 있습니다.
차동 프로브를 사용하여 A/B 라인의 전압 파형을 관찰하고 링잉, 오버슈트 또는 감쇠를 확인합니다. 전송 속도를 이론적 신호 파형과 비교하여 슬로프 제한 또는 속도 조정이 필요한지 결정합니다.
분기를 섹션별로 분리하고 파형 변화를 관찰하여 임피던스 불연속성 또는 공통 모드 문제의 위치를 찾습니다.
케이블, 종단 저항을 교체하거나 의심되는 영역에 공통 모드 초크를 추가하여 변경 효과를 확인합니다. 접지 레이아웃을 최적화하여 다중 지점 접지로 인한 접지 루프 간섭을 줄입니다.
TVS 튜브 및 공통 모드 초크를 합리적으로 구성하여 과도한 신호 흡수 없이 외부 서지를 저항합니다.
보호 구성 요소의 기생 파라미터(커패시턴스, 인덕턴스)가 총 임피던스에 제어 가능한 영향을 미치는지 확인합니다.
- 종단 저항이 한쪽 끝에만 설치되어 다른 쪽 끝에서 심각한 반사가 발생합니다.
- 종단 저항의 위치가 잘못되어 물리적 끝에 배치되지 않았습니다.
- 분기가 너무 많거나 너무 길어서 신호가 분기에서 반복적으로 반사됩니다.
- 무작정 120 Ω이 아닌 케이블을 선택하여 수신기와 큰 매칭 차이가 발생합니다.
- 장치 간의 접지 전위차를 무시하여 과도한 공통 모드 전압이 발생합니다.
- 외부 바이어스 없이 트랜시버의 내부 Fail-Safe에 전적으로 의존하여 라인이 끊어질 때 빈번한 오판이 발생합니다.
