為惡劣的工業(yè)應(yīng)用設(shè)計可靠的隔離式RS-232數(shù)據(jù)接口

工業(yè)和儀器儀表（I&I）應(yīng)用的一個關(guān)鍵要求是通過診斷端口檢查連接系統(tǒng)的可靠數(shù)據(jù)接口。RS-232總線標(biāo)準(zhǔn)是I&I應(yīng)用中最古老，使用最廣泛的物理層總線設(shè)計之一。RS-232于1962年首次推出，是一種單端數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn);然而，盡管有傳言說它早早消亡，但它繼續(xù)在整個行業(yè)中廣泛用于短電纜通信。

為了在惡劣的工業(yè)環(huán)境中實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)通信鏈路，RS-232診斷端口必須在RS-232電纜網(wǎng)絡(luò)和連接的系統(tǒng)之間提供隔離接口，以防止嘈雜環(huán)境中的電壓尖峰和接地環(huán)路，并提高系統(tǒng)可靠性（圖1）。RS-232通信鏈路的電源隔離通過使用隔離式DC-DC電源或ADI公司的isoPower集成DC-DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)來實現(xiàn)。RS-232通信鏈路的信號隔離采用光耦合器或ADI公司i耦合器技術(shù)實現(xiàn)。??

圖1.典型的隔離式RS-232通信鏈路。

如圖2所示，隔離柵將RS-232總線與與其連接的每個系統(tǒng)電氣隔離，允許數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在兩點之間傳輸，但阻止接地環(huán)路電流流動;這通過消除耦合到通信電纜上的噪聲來減少信號失真和錯誤。

圖2.隔離功能。

實現(xiàn)隔離式RS-232接口

為了提供隔離的RS-232通信接口，兩端的設(shè)備必須與連接它們的RS-232電纜隔離。要隔離數(shù)據(jù)鏈路，必須隔離數(shù)據(jù)信號線和驅(qū)動電纜所需的電源。來自診斷端口UART的數(shù)據(jù)需要越過隔離柵到達隔離總線側(cè)的RS-232收發(fā)器。本地 5V/3.3V 電源也需要跨越隔離柵，為隔離總線側(cè)的 RS-232 收發(fā)器供電。這也需要在工業(yè)PC端進行：數(shù)據(jù)和電源都需要跨越隔離柵（圖3）。

通過將兩個器件與RS-232電纜網(wǎng)絡(luò)隔離，診斷端口和工業(yè)PC電路都可以防止在惡劣環(huán)境中耦合到RS-232電纜上的瞬變。由于診斷端口和工業(yè)PC側(cè)的不同接地電位而可能發(fā)生的接地環(huán)路被隔離中斷。RS-232總線上可能出現(xiàn)的高共模電壓不允許跨越隔離柵，從而保護隔離數(shù)據(jù)的人類用戶。

圖3.隔離式 RS-232 接口。

隔離技術(shù)：數(shù)據(jù)和電源

圖4比較了兩種主要的隔離技術(shù)。我耦合器技術(shù)（圖4（a））通過使用厚膜處理技術(shù)構(gòu)建可實現(xiàn)2.5 kV隔離的微尺度片上變壓器，在RS-232系統(tǒng)中提供信號隔離。較舊但應(yīng)用廣泛的光耦合器解決方案（圖4（b））使用發(fā)光二極管（LED）和光電二極管。LED將電信號轉(zhuǎn)換為光，光電探測器將光轉(zhuǎn)換回電信號。電光轉(zhuǎn)換的固有低轉(zhuǎn)換效率導(dǎo)致相對較高的功耗，光電探測器的緩慢響應(yīng)限制了其速度，老化限制了其使用壽命。

直接在芯片上制造變壓器，使用晶圓級處理，允許i耦合器通道彼此之間以及與其他半導(dǎo)體功能之間的低成本集成。ADM3252E就是一個例子，它是一款隔離式雙通道RS-232收發(fā)器，集成在單個緊湊器件中。我耦合器隔離至少在五方面克服了舊式光耦合器解決方案的限制：集成（由于i耦合器的雙向操作，降低了整體解決方案尺寸和系統(tǒng)成本），性能更高，功耗更低，易于使用，可靠性更高。

圖4.隔離技術(shù)比較。

直到最近，跨越隔離柵傳輸功率需要單獨的DC-DC轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器相對較大，價格昂貴且隔離不足，或者需要定制的分立方法，既笨重又難以設(shè)計。這些方法是唯一可行的替代方案，即使在隔離式RS-232數(shù)據(jù)通信等應(yīng)用中，也只需要少量的隔離電源。

為了解決這個問題，ADI公司開發(fā)并制造了一種完整的、完全集成的解決方案，該解決方案使用微變壓器將信號和功率傳輸結(jié)合在隔離柵上。我們成熟的i耦合器技術(shù)的這種擴展，稱為isoPower，是一個突破性的替代方案。單個組件內(nèi)的信號和電源隔離（高達 2.5 kV）消除了對體積龐大、昂貴且難以設(shè)計的隔離電源的需求。它可以顯著減少典型隔離式RS-232接口的電路板空間、設(shè)計時間和總隔離系統(tǒng)成本。以下各節(jié)描述了該技術(shù)適用的兩種典型RS-232設(shè)計情況。

隔離式高速雙通道RS-232接口

圖5比較了使用分立元件的傳統(tǒng)解決方案與完全集成的解決方案。

圖5.隔離式RS-232設(shè)計進行比較。

實現(xiàn)完全隔離的2通道RS-232接口的傳統(tǒng)方式（圖5（a））是使用光耦合器提供RS-232鏈路的數(shù)據(jù)隔離。每條數(shù)據(jù)線（TIN1、TIN2、ROUT1、ROUT2）需要一個光耦合器，每個數(shù)據(jù)線都需要一個外部緩沖器。隔離式電源使用變壓器驅(qū)動器 IC 驅(qū)動分立變壓器，以及簡單的整流電路和 LDO（低壓差穩(wěn)壓器）來清理隔離式 5V 或 3.3V ISO V抄送軌。為了實現(xiàn)，這種設(shè)計需要8個IC和一些無源元件，外加大量的電路板空間。

在圖5（b）所示的單芯片解決方案中，只需一個IC （ADM3252E），外加兩個去耦電容和四個電荷泵電容，即可實現(xiàn)適用于所有四個信號的全隔離（2.5 kV）雙通道RS-232接口。

ADM3252E（圖6）將標(biāo)準(zhǔn)RS-232收發(fā)器與4通道i耦合器相結(jié)合，為RS-232數(shù)據(jù)信號提供信號隔離。它還集成了 iso電源技術(shù)，以提供片上電源隔離。ADM3252E通過結(jié)合i耦合器和iso電源隔離技術(shù)集成RS-232收發(fā)器，能夠在單個封裝（12 mm×12 mm）中提供具有2.5 kV rms隔離的完全隔離RS-232接口，僅需6個外部電容。

圖6.ADM3252E隔離式雙通道RS-232收發(fā)器。

這種單芯片解決方案顯著縮短了隔離式RS-232接口所需的設(shè)計時間和電路板空間。由于PCB上放置的元件數(shù)量大大減少，因此可靠性得到增強并降低了成本，從而降低了制造成本并提高了可靠性。此外，ADM3252E無需任何修改即可用于5 V或3.3 V應(yīng)用，避免了分立式設(shè)計所需的設(shè)計更改。

isoPower 技術(shù)在 44 BGA 封裝內(nèi)直接在片上提供 2.5kV 電源隔離，無需傳統(tǒng)解決方案中使用的昂貴分立變壓器。此外，i耦合器技術(shù)提供信號（數(shù)據(jù)）隔離，無需四個分立光耦合器通道。

靜電防護

由于RS-232電纜由用戶物理連接和斷開，因此RS-232發(fā)射（Tx）和接收（Rx）引腳（TxD1，TxD2，RxD1，RxD2）的ESD（靜電放電）保護非常重要，以確保堅固可靠的接口。ADM3252E在RINx和TOUTx引腳上的ESD保護符合IEC 1000-4-2 （801.2），如下所示：

接觸放電：±8 kV

氣隙放電：±15 kV

瞬態(tài)保護

為了使隔離式RS-232收發(fā)器能夠在工業(yè)應(yīng)用中非常惡劣的工作條件下工作，隔離技術(shù)（i耦合器和iso電源）具有高（>25 kV/μs）共模瞬態(tài)抗擾度，這是在保持規(guī)范合規(guī)性的同時可以維持的共模電壓（邏輯側(cè)和總線側(cè)之間的電位差）的最大壓擺率。瞬態(tài)幅度是共模電壓壓擺的范圍。共模電壓壓擺率適用于共模邊沿的上升和下降。該規(guī)范確保在惡劣環(huán)境中耦合到RS-232電纜上的任何瞬變都不會損壞RS-232收發(fā)器或?qū)е洛e誤數(shù)據(jù)通信，從而實現(xiàn)非常高的可靠性數(shù)據(jù)鏈路。

2.5kV 隔離保護和認(rèn)證

隔離式收發(fā)器的額定隔離電壓為器件邏輯側(cè)和總線側(cè)之間的 2.5kV 隔離。此隔離額定值可確保沒有電流流入或流出邏輯側(cè)到RS-232電纜上。它還確保耦合到RS-232電纜上的電壓或瞬變不允許到達邏輯側(cè)。2.5kV 隔離保護還意味著邏輯側(cè)用戶可以免受 RS-232 電纜上可能出現(xiàn)的高電壓或瞬變的影響。ADM3252E的2.5 kV隔離額定值正在等待以下機構(gòu)的批準(zhǔn)：美國保險商實驗室（UL）、德國電氣技術(shù)公司（VDE）和加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（CSA）。UL 1577認(rèn)證要求所有ADM3252E器件（與光耦合器一樣）的隔離柵必須經(jīng)過100%的生產(chǎn)測試：

UL認(rèn)可

2500 V rms，持續(xù)一分鐘，符合 UL 1577 標(biāo)準(zhǔn)

VDE合格證書

IEC 60747-5-2（VDE 0884，第 2 部分）

VIORM = 560 V 峰值

CSA 組件驗收通知#5A

ADM3252E規(guī)格參數(shù)

ADM3252E是2通道、高速、完全隔離（數(shù)據(jù)和電源）RS-232收發(fā)器，非常適合在電氣惡劣的環(huán)境中工作，或者RS-232電纜經(jīng)常插入和拔出。該器件集成了四個獨立的i耦合器數(shù)字隔離通道（兩個發(fā)射通道，兩個接收通道）和一個isoPower芯片級DC-DC轉(zhuǎn)換器，提供2.5 kV rms隔離、25kV/μs瞬態(tài)抗擾度和±15kV ESD保護。它以高達 460 kbps 的數(shù)據(jù)速率進行通信，符合 TIA/EIA-232E 規(guī)范。片內(nèi)倍壓器和逆變器可實現(xiàn)單電源供電。ADM3252E采用3.0 V至5.5 V單電源供電，空載時功耗為20 mA。該器件采用 12mm × 12mm 44 引腳 CSP BGA 封裝，額定溫度范圍為 –40°C 至 +85°C，千 1000 秒售價為 8.49 美元。

印刷電路板布局

隔離式收發(fā)器的PCB布局對于確保在實際設(shè)計中實現(xiàn)指定的2.5 kV隔離至關(guān)重要。主要考慮因素是爬電距離（兩個導(dǎo)體之間沿表面的最短距離）和邏輯側(cè)GND和總線側(cè)GND之間的間隙（通過空氣的最短距離）。ADM3252E的邏輯接口無需外部電路。輸入和輸出電源引腳需要電源旁路（圖 7）。有關(guān)控制輻射發(fā)射（EMI）的PCB布局和結(jié)構(gòu)指南的更多信息，請參見AN-0971應(yīng)用筆記，使用isoPower器件控制輻射發(fā)射的建議。

圖7.ADM3252E推薦的印刷電路板布局。

隔離式高速單通道RS-232接口

對于僅需要一個通道（1 Tx、1 Rx）、5 V隔離RS-232接口的收發(fā)器應(yīng)用，ADM3251E提供采用20引腳寬體SOIC的單芯片解決方案。ADM3251E收發(fā)器集成了i耦合器和iso電源隔離技術(shù);它是首款具有數(shù)據(jù)線和電源完全隔離功能的表面貼裝RS-232收發(fā)器。該器件的隔離額定值為 2.5kV，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)隔離要求（UL1577 和 DIN VDE 0884-10）。這可確保其滿足嘈雜操作環(huán)境所需的魯棒性水平，例如工業(yè)自動化和控制應(yīng)用中的隔離式RS-232診斷數(shù)據(jù)端口。與傳統(tǒng) IC 相比，SMT 封裝可減少 45% 的電路板空間，并有助于加快制造過程并降低系統(tǒng)開發(fā)成本（圖 8）。

圖8.單通道RS232收發(fā)器應(yīng)用。（a） ADM3251E規(guī)格。（b） 遺留辦法。（c） i耦合器+iso電源方法。

結(jié)論

當(dāng)今工業(yè)和儀器儀表應(yīng)用中的RS-232接口鏈路需要小巧、堅固、廉價且隔離。通過將芯片級變壓器隔離與標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口收發(fā)器集成，可以提供單芯片、完全隔離的RS-232收發(fā)器（包括隔離電源）來提供這些優(yōu)勢。雙通道ADM3252E和單通道ADM3251E顯著縮短了設(shè)計時間，為這些要求苛刻的應(yīng)用提供了緊湊、可靠、低成本、高性能的解決方案。

審核編輯：郭婷