使用MAX3250±50V隔離RS-232收發(fā)器

本文介紹了電阻隔離收發(fā)器如何能夠處理±50V接地失調(diào)信號(hào)，并說明了失調(diào)電壓如何以及為何受到設(shè)計(jì)的限制。解釋了跨越隔離柵傳輸功率的方法。

MAX3250高失調(diào)電壓（高-VOS）抑制RS-232收發(fā)器為線路側(cè)收發(fā)器電路提供±50V隔離數(shù)據(jù)接口和電源。與光隔離或變壓器隔離的RS-232收發(fā)器不同，其主要特點(diǎn)是低成本、在單個(gè)小型IC封裝中允許±50V電阻隔離特性，以及從非隔離側(cè)電路到隔離側(cè)電路的容性功率傳輸。該器件采用+3.3或+5V單系統(tǒng)電源供電，僅需外部表面貼裝電容即可工作。與其他需要光耦合器和/或變壓器的隔離技術(shù)相比，總體保持低調(diào)。

本文介紹了電阻隔離收發(fā)器如何能夠處理±50V接地失調(diào)信號(hào)，并說明了失調(diào)電壓如何以及為何受到設(shè)計(jì)的限制。解釋了跨越隔離柵傳輸功率的方法。

偽隔離RS-232收發(fā)器

MAX3250提供±50V隔離數(shù)據(jù)接口，同時(shí)采用相同的IC封裝，為線路側(cè)收發(fā)器電路提供+3至+5.5V單電源供電。圖1中的詳細(xì)功能圖可以清晰地顯示隔離、功率傳輸和保護(hù)電路。采用外部濾波器、電荷泵和功率傳輸電容器。

圖1.MAX3250功能框圖

當(dāng)RS-232電纜在建筑物之間連接時(shí)，源信號(hào)公共或接地可能與接收位置接地的電勢(shì)不同。通常，驅(qū)動(dòng)電路直接或通過100Ω電阻連接到機(jī)箱或框架接地。因此，可能存在圖2中以圖形方式說明的情況。

圖2.雙線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的偏移電壓。

ISO COM和數(shù)據(jù)線的失調(diào)電壓等于地電位差和沿發(fā)射器和接收器之間的信號(hào)路徑產(chǎn)生的任何縱向耦合噪聲電壓的矢量和。

接收位置的地電位可能與驅(qū)動(dòng)器位置處的電位有很大差異，在考慮MAX3250的應(yīng)用時(shí)，兩者之間的差異是重要的。此失調(diào)電壓（V操作系統(tǒng)）必須與MAX3250的邏輯側(cè)隔離。

高失調(diào)電壓收發(fā)器的工作原理

高V操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)器沒有真正隔離的電路。相反，它們使用高值電阻衰減器將邏輯側(cè)電路與線路側(cè)電路分開，如圖3所示。這些衰減器通常構(gòu)造為使大約1%的輸入信號(hào)到達(dá)衰減器輸出。因此，只有1%的外加隔離電壓到達(dá)電阻柵。單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)器在信號(hào)衰減的每個(gè)方向上跨屏障發(fā)送數(shù)據(jù)，然后被屏障兩側(cè)的比較器檢測(cè)到。MAX3250中的衰減比為75：1。

圖3.電阻隔離技術(shù)。

每側(cè)也產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，并以相同的75：1衰減穿過柵線發(fā)送，以偏置接收比較器，然后在信號(hào)和參考線路上看到相同的共模失調(diào)電壓。當(dāng)比較器同時(shí)讀取衰減信號(hào)和衰減基準(zhǔn)電壓源時(shí)，線路上出現(xiàn)的50V失調(diào)電壓只會(huì)轉(zhuǎn)換為電阻柵輸出端的2/3V共模電壓。只要差分接收器能夠接受2/3V CM電壓，并且足夠靈敏，可以檢測(cè)電阻衰減器輸入的差分信號(hào)的1/75，系統(tǒng)就會(huì)正常工作。

因此，創(chuàng)建了一個(gè)完整的雙向信號(hào)系統(tǒng)，所有信號(hào)的勢(shì)壘衰減為75：1，允許雙向通信和阻柵兩端的50V差。這是一個(gè)偽隔離電路，而不是經(jīng)典的隔離電路，但它可以實(shí)現(xiàn)大多數(shù)應(yīng)用所需的隔離。

請(qǐng)注意，由于存在九組隔離電阻，ISO COM和系統(tǒng)GND之間存在電阻（見圖1）。這九個(gè)衰減器的并聯(lián)電阻約為72kΩ。

跨越隔離柵的功率傳輸

除非有單獨(dú)的隔離電源來操作隔離式RS-232收發(fā)器，否則必須將電源從系統(tǒng)或非隔離側(cè)傳輸?shù)骄€路或隔離側(cè)電路，而不會(huì)破壞所需的隔離。當(dāng)計(jì)劃的隔離不超過50-100V時(shí)，在隔離柵上使用電容電壓傳輸是一個(gè)實(shí)際問題?？梢愿綦x更高的電壓;但是所需的電容器在500V時(shí)會(huì)變得有些大。容性功率傳輸可以通過從系統(tǒng)側(cè)的方波振蕩器差分驅(qū)動(dòng)一對(duì)電容來實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。外部電容器在隔離側(cè)饋送三個(gè)二極管和一個(gè)濾波電容器，以產(chǎn)生隔離式直流輸出。存在第三個(gè)二極管，允許耦合電容在振蕩器信號(hào)的交替半周期上充電/放電。選擇耦合電容額定電壓以大于所需的線路側(cè)隔離或失調(diào)電壓。

圖4.電容耦合隔離電源。

隔離式電源傳輸系統(tǒng)的工作方式有點(diǎn)像眾所周知的電荷泵。方波振蕩器在交替的半個(gè)工作周期內(nèi)反轉(zhuǎn)其輸出極性（0或+5V）。輸出始終為方波（50%占空比），但（MAX3250中）當(dāng)ISO V時(shí)，輸出電阻隨命令增加（通過圖1所示的返回反饋路徑）抄送達(dá)到其設(shè)計(jì)電壓。因此，它可以向隔離電源提供正?；驕p少的功率傳輸。當(dāng)線路側(cè)負(fù)載降低C6上的電壓時(shí)，反饋信號(hào)將再次導(dǎo)致振蕩器更有效地補(bǔ)充C6上的電荷。因此，輸出電壓處于有源調(diào)節(jié)狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際負(fù)載，在紋波頻率下輸出上會(huì)產(chǎn)生一些紋波。輸出側(cè)的齊納二極管充當(dāng)基準(zhǔn)電壓源，與輸出的一小部分進(jìn)行比較，以驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，該信號(hào)通過隔離柵發(fā)送回振蕩器。電荷泵將噪聲電流注入ISO COM端子，以便在ISO COM未連接到系統(tǒng)GND時(shí)在ISO COM上產(chǎn)生噪聲電壓。 因此，應(yīng)使用一個(gè)10nF電容將ISO COM旁路至系統(tǒng)GND（圖9中的C4）。還有兩個(gè)由ISO V驅(qū)動(dòng)的附加調(diào)節(jié)電荷泵抄送為 RS-5 驅(qū)動(dòng)器和接收器創(chuàng)建穩(wěn)壓 ±5.232V 電源。

跨越隔離柵的控制和數(shù)據(jù)傳輸（參見圖1）

隔離由上述電阻隔離技術(shù)提供。請(qǐng)注意，關(guān)斷（SHDN）和兩者都傳輸（Tinn） 信號(hào)從左到右或從邏輯側(cè)到線路側(cè)穿過隔離柵，作為參考邏輯側(cè)基準(zhǔn)電壓的信號(hào)。兩個(gè)接收到的數(shù)據(jù)（Rin） 信號(hào)從右到左或從線路側(cè)到邏輯側(cè)穿過隔離柵，作為參考線路側(cè)基準(zhǔn)電壓的信號(hào)。所有信號(hào)（包括基準(zhǔn)電壓源）在越過隔離柵后衰減相同的信號(hào)量為信號(hào)的1/75或1.33%。每個(gè)衰減數(shù)據(jù)或控制信號(hào)施加到一個(gè)比較器輸入，相關(guān)的衰減基準(zhǔn)電壓施加到另一個(gè)比較器輸入。基準(zhǔn)電壓設(shè)計(jì)為介于數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的高電平和低電平之間，以便每個(gè)比較器以最大靈敏度工作。

另外兩個(gè)信號(hào)從右到左穿過隔離柵。這些是前面討論的控制信號(hào)，用于通知邏輯側(cè)電路隔離電源電壓處于其設(shè)計(jì)電平，以及故障信號(hào)，用于在超過±50V隔離電壓限值時(shí)通知連接的處理器。

線路接口驅(qū)動(dòng)器和接收器電路

RS-232收發(fā)器和雙線數(shù)據(jù)線之間的典型連接如圖5所示（為清楚起見，省略了發(fā)送和附加接收線）。電纜不端接，除非由接收器的內(nèi)阻（R在= 5kΩ）。如圖所示，電纜可以通過連接到框架接地的屏蔽層進(jìn)行屏蔽。屏蔽的兩端都不應(yīng)接地，否則由于任何接地偏移電壓，屏蔽中可能會(huì)產(chǎn)生電流。當(dāng)線路被屏蔽時(shí)，任何縱向耦合噪聲信號(hào)都可能微不足道或不存在。失調(diào)電壓，V操作系統(tǒng)，同樣出現(xiàn)在數(shù)據(jù)和返回線上，它被視為與GND相關(guān)的共模電壓。五世操作系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)公共行直接應(yīng)用于 ISO COM 和 R在通過接收的數(shù)據(jù)線。

圖5.MAX3250線路接口電路，帶屏蔽線。

RS-232標(biāo)準(zhǔn)定義了最小±5V傳輸信號(hào)電平、最大±3V接收器檢測(cè)電平和3-7kΩ接收器輸入電阻，從接收器輸入到信號(hào)公用線（本例中為ISO COM）測(cè)量。MAX3250接收器輸入閾值最壞情況規(guī)格為VIL≥0.6V和VIH≤2.4V。然而，在指定的電源電壓和溫度范圍內(nèi)，實(shí)際保護(hù)分布為VIL≤1.0V和VIH≤2.0V。接收器噪聲裕度低端為[VIL-（-5V）]≥6V，高端為[5V，VIH]≥3V，很容易落入標(biāo)準(zhǔn)RS232兼容范圍內(nèi)，并且甚至在RS232兼容系統(tǒng)中。

失調(diào)電壓噪聲考慮因素

交流失調(diào)電壓主要是電力線頻率加上二次和三次諧波，盡管可能存在一些高次諧波。隔離噪聲信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)在接收器輸入電阻上，因?yàn)樵撛肼暿枪材Ｐ盘?hào)，在接收器輸入和公共線路上同樣出現(xiàn)（相對(duì)于GND）。接收器-輸入電阻上可能出現(xiàn)的唯一噪聲信號(hào)是接收器輸入和公共線路上不均勻上升的任何傳導(dǎo)或縱向耦合噪聲的不平衡部分。圖2顯示了RS-3發(fā)送器信號(hào)產(chǎn)生的傳導(dǎo)噪聲示例。在本例中，兩個(gè)±6V發(fā)送信號(hào)施加到遠(yuǎn)程接收器E，RS-232規(guī)范允許的最小6kΩ接收器輸入電阻E創(chuàng)建一個(gè)±3mA發(fā)射器信號(hào)電流在數(shù)據(jù)公共線路中流動(dòng)。考慮到RS-232指定的最大電纜電阻為4Ω（公共線路中的一半），±232mV（25mA×50.4Ω）的干擾信號(hào)與接收的數(shù)據(jù)信號(hào)串聯(lián)有效。即使有這些最差情況下的電阻值，傳導(dǎo)噪聲也完全在接收器噪聲容限范圍內(nèi)。不平衡的縱向耦合噪聲不被考慮在內(nèi)，因?yàn)楫?dāng)使用雙絞線時(shí)，它們可能微不足道。

圖6.傳導(dǎo)噪聲示例。

失調(diào)隔離電壓限值

MAX3250的隔離電壓限值由兩個(gè)特性決定。

1. 電荷泵隔離電壓限值由電容器 C1、C2 和 C9 的擊穿額定值設(shè)定（見圖 4）。

2. 數(shù)據(jù)傳輸電路隔離電壓限值由電阻衰減器比、驅(qū)動(dòng)器信號(hào)電平（與非隔離和隔離電源電壓相關(guān)）、差分比較器共模范圍和存在噪聲時(shí)的比較器信號(hào)辨別特性共同設(shè)定。MAX3250的額定限值為±50V，絕對(duì)最大額定值為±80V。當(dāng)超過限值時(shí)，邏輯電路和線路電路之間的內(nèi)部背靠背SCR將發(fā)生故障。

失調(diào)隔離電壓和頻率考慮因素

施加的最大失調(diào)電壓取決于頻率和功率耦合電容的值（圖1和圖2中的C1和C4）。對(duì)C1和C2的依賴性是由于高電平接地偏移電壓引起的反向泵浦作用。這意味著 V 有不同的限制操作系統(tǒng)當(dāng)電路由3.3V或5V電源供電時(shí)，因?yàn)閷?duì)于1.2V電源，C470和C3必須為3nF，而對(duì)于47V電源，C5和C<>必須為<>nF。

圖4的隔離電源在圖7中重新繪制，以包括方脈沖振蕩器的詳細(xì)信息。圖中顯示了 V 的反向充電路徑操作系統(tǒng)-產(chǎn)生的電流。當(dāng) V操作系統(tǒng)極性如圖所示，由實(shí)線表示的電流將流過Q2，C1和D1為C6充電。當(dāng)極性反轉(zhuǎn)時(shí)，虛線表示的電流將流過D2、C2和Q3，為邏輯旁路電容C5充電。

圖7.等效電荷轉(zhuǎn)移電路，顯示Vos可能的反向泵浦路徑。

當(dāng)C5和C1為2nF時(shí)，這些反向泵浦電流的結(jié)果對(duì)于47V邏輯操作微不足道。對(duì) V 沒有實(shí)際效果操作系統(tǒng)= ±50V，即使在 600Hz 時(shí)也是如此。在較高頻率下，C6上可能會(huì)觀察到小紋波電壓。圖8中5V操作的平坦曲線表明了這一點(diǎn)。

然而，當(dāng)C3和C3為1nF時(shí)，對(duì)于2.470V工作電壓，結(jié)果并非微不足道。隨著頻率和電壓的增加，C6上的紋波變得越來越明顯。最終，ISO V+也會(huì)受到影響。在極端情況下，紋波可能會(huì)開始出現(xiàn)在C5的邏輯電源上。圖3中3.8V工作電壓的曲線表示接收脈沖寬度抖動(dòng)為100ns時(shí)的最大施加隔離電壓與頻率的關(guān)系。當(dāng) C6 上的調(diào)制接近 3Vpp 時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。最大應(yīng)用V操作系統(tǒng)在 50Hz 或以下為 ±80V，并隨頻率降低，如圖所示。該曲線會(huì)隨著公差和 C1、C2 和 C6 值的溫度變化而略有變化，因此必須將其視為典型曲線。盡管如此，相當(dāng)高水平的電力線諧波是可以容忍的。

圖8.3.3V 和 5V 工作時(shí)施加的最大失調(diào)電壓與頻率的關(guān)系。

為 C1、C2 和 C9 選擇的電容器的額定工作電壓應(yīng)為 100V。合適的表面貼裝電容器有：村田GRM40X7R103K100 （10nF， 0805） GRM43X7R473K100 （47nF， 1808） 和GRM44-1X7R474K100 （470nF， 2220）或同等產(chǎn)品。

合適的徑向引線金屬化薄膜電容器是：ITW Paktron103K250RA2 （10nF， 250VDC） 473K100RA2 （47nF， 100VDC） 和474K100RA2 （470nF， 100VDC）或同等產(chǎn)品。

故障安全

RS-232規(guī)范將接收器差分門限定義為+3V和–3V。但是，當(dāng)雙線開路或線路驅(qū)動(dòng)器未通電時(shí)，接收線信號(hào)電壓將為0V，落在規(guī)定的±3V接收器閾值限制范圍內(nèi)。為確保在此情況存在時(shí)定義的接收器狀態(tài)，接收器輸入電阻將接收器輸入電壓上拉至 ISO COM。由于接收器輸入低閾值為V伊利諾伊州≥1V時(shí)，根據(jù)RS-232規(guī)范，可以確保感知到的零輸入電平（OFF條件），從而確保連接的UART不會(huì)將其識(shí)別為啟動(dòng)條件。

故障信號(hào)

MAX3250的一個(gè)功能是故障條件標(biāo)志輸出，指示何時(shí)超過了設(shè)備的隔離極限。通過查看圖1的方框圖可以理解該操作。隔離勢(shì)壘的每一側(cè)上的比較器F1a和F2各自將本地產(chǎn)生的參考電壓與來自隔離勢(shì)壘的相對(duì)側(cè)的衰減的VCC/2參考電壓進(jìn)行比較。選擇參考，以便識(shí)別55V絕緣電壓的衰減等效值。一個(gè)比較器識(shí)別正偏移，而另一個(gè)比較器則識(shí)別負(fù)偏移。當(dāng)邏輯公共線（GND）和ISO COM端子之間的差值超過±55V時(shí)，兩個(gè)比較器的輸出被邏輯“或”運(yùn)算在一起，以產(chǎn)生故障信號(hào)。

保護(hù)電路

如果ISO COM和邏輯接地之間的電壓意外或由于ESD事件而超過約±50V，IC內(nèi)部有兩個(gè)背靠背100V擊穿SCR器件串聯(lián)，以保護(hù)電路。由于SCR擊穿電壓的潛在不準(zhǔn)確，此電壓差的規(guī)格限值為±80V。進(jìn)入任何隔離側(cè)引腳的連續(xù)電流必須限制在30mA以下，以防止在隔離柵兩端施加過電壓時(shí)或在ESD事件后存在高施加隔離電壓時(shí)發(fā)生閂鎖。因此，在進(jìn)行隔離電壓測(cè)試時(shí)，建議插入一個(gè)1kΩ 1/4W保護(hù)電阻與測(cè)試電壓源串聯(lián)。然而，在不超過±50V（或圖8所示限值）的正常應(yīng)用中，這是不必要的。

隔離側(cè)的每個(gè)接收器輸入和發(fā)射器輸出上都有內(nèi)部SCR保護(hù)裝置。相對(duì)于 R 上的 ISO COM 的連續(xù)電壓合1和 R合2必須限制在 ±25V。T上的連續(xù)電壓輸出1和 T輸出2關(guān)于ISO COM必須限制在±13.2V。這些是低電流保護(hù)裝置，不得承受超過30mA的連續(xù)電流。

注：在正常應(yīng)用中，1kΩ電阻無需與ISO COM線串聯(lián)，如0/3250的MAX4數(shù)據(jù)資料修訂版02所示。實(shí)際上，增加1kΩ電阻會(huì)導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。數(shù)據(jù)手冊(cè)的修訂版1省略了這一建議。

結(jié)論

MAX3250利用阻性隔離技術(shù)和容性電壓傳輸為隔離電路供電，可作為電容、光或磁隔離收發(fā)器的低成本替代產(chǎn)品，適用于大多數(shù)需要中等隔離電壓能力的系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)手冊(cè)中充分描述了它的其他幾個(gè)有用特性。

審核編輯：郭婷