數(shù)字隔離器保護RS-232、RS-485和CAN總線

在工業(yè)過程控制、電源調節(jié)和計算機之間的點對點通信等應用中，串行通信總線通過各種類型的物理網絡（如 RS-232、RS-485 和控制器局域網 （CAN））傳輸數(shù)據。每個互連系統(tǒng)通常都有自己的電源，并且系統(tǒng)通常相隔很遠，因此通常需要電流隔離來斷開接地環(huán)路，保護系統(tǒng)免受高壓瞬變的影響，減少信號失真，以及人身安全。

隔離

變壓器、耦合電容器、光耦合器（以及現(xiàn)在的耦合器）是提供電流隔離的典型方法，可阻止電流在兩點之間流動，同時允許數(shù)據暢通無阻（圖 1）。隔離用于防止由線路浪涌或接地環(huán)路引起的高電壓或電流，這可能發(fā)生在任何具有多個接地路徑的系統(tǒng)中。由長電纜隔開的系統(tǒng)接地將不具有相同的電位，因此接地電流將在兩個系統(tǒng)之間流動。如果不進行隔離，這種電流可能會引入噪聲，降低測量質量，甚至破壞系統(tǒng)組件。

圖1.電流隔離允許信息流，但阻止電流流動。

在工業(yè)環(huán)境中，通過電機的開關、靜電放電 （ESD） 或附近的雷擊感應耦合到長電纜中的電流會導致接地電位的快速變化，通常高達數(shù)百或數(shù)千伏。發(fā)生這種情況時，遠程系統(tǒng)預期的邏輯電平開關信號將疊加在相對于其本地接地的高電壓上。如果不進行隔離，該電壓可能會破壞信號或損壞系統(tǒng)。將所有連接到總線的設備連接到單個接地將保護系統(tǒng)免受這種破壞性能量的影響，隔離設備將防止接地回路和電涌。

為了完全隔離系統(tǒng)，必須隔離所有信號線和電源。隔離式DC-DC轉換器可提供電源隔離，而i耦合器數(shù)字隔離器可提供信號隔離。

i耦合器技術

i耦合器隔離器是基于芯片級變壓器的磁耦合器（圖 2），與光耦合器中使用的 LED 和光電二極管相比。平面變壓器使用CMOS金屬層，加上放置在鈍化頂部的金層。金層下方的高擊穿聚酰亞胺層將頂部變壓器線圈與底部隔離。連接到頂部和底部線圈的高速CMOS電路提供每個變壓器與其外部信號之間的接口。晶圓級處理提供了一種在單個封裝中集成多個隔離通道以及其他半導體功能的低成本方法。i耦合器技術消除了與光耦合器相關的不確定電流傳輸比、非線性傳遞函數(shù)和漂移（隨時間和溫度的變化）;降低高達90%的功耗;并且無需外部驅動器或分立器件。

圖2.i耦合器橫截面。

變壓器初級側的電路將輸入邏輯轉換編碼為1 ns脈沖，然后通過變壓器耦合;副邊的電路檢測它們并重新創(chuàng)建輸入信號，如圖3所示。輸入側的刷新電路可確保輸出狀態(tài)與輸入狀態(tài)匹配，即使不存在輸入轉換也是如此。這在上電情況下以及具有低數(shù)據速率或恒定直流輸入的輸入波形中非常重要。

圖3.數(shù)字輸入在i耦合器的輸出端重新創(chuàng)建。

由于i耦合器產品的目的是將輸入與輸出隔離，因此變壓器一側的電路必須包含在與變壓器第二側電路分開的芯片上。變壓器本身可以放置在任一芯片上，也可以放置在第三個芯片上，如圖140所示的ADuM4x所示。整個芯片組組裝在標準塑料封裝中，類似于用于各種半導體器件的封裝。

圖4.ADuM140x 4通道隔離器結構

i耦合器器件的一個新穎特性是它們能夠在同一封裝中組合發(fā)射和接收通道。i耦合變壓器本質上是雙向的，因此只要變壓器的每一側都有適當?shù)碾娐罚盘柧涂梢匝厝我环较騻鬟f。通過這種方式，多通道隔離器具有多種發(fā)送/接收通道配置。

串行通信總線

RS-232 （EIA232） 和 RS-485 （EIA/TIA485） 規(guī)范僅定義物理層，允許用戶定義信號協(xié)議，或由指定其在物理層中使用的其他標準定義。另一方面，CAN總線定義物理層和數(shù)據鏈路層。

RS-232：RS-232總線標準是最受歡迎的串行通信總線之一，最初于1962年指定用于計算機和調制解調器之間的通信。仍然被廣泛用作系統(tǒng)間通信鏈路，其簡單性、靈活性和長期的成功使用歷史是其持續(xù)流行的原因。它專為點對點通信而設計，使用兩條帶有接地參考信號的專用非平衡單端線路提供全雙工通信。

數(shù)據速率限制為 20 kbps，低壓變化時為 64 kbps。最大實際電纜長度受 16-pF 最大負載電容和 2500 kohm 至 3 kohm 負載阻抗的限制在 7 米左右。RS-232為邏輯5提供–15 V至–1 V的驅動器輸出電平，邏輯5的驅動器輸出電平為+15 V至+0 V，邏輯3的接收器輸入電平為–15 V至–1 V，邏輯3的接收器輸入電平為+15 V至+0 V。–3 V至+3 V之間的電壓未定義。寬電壓擺幅和未定義區(qū)域確保了高水平的抗噪性，并允許通過長電纜接收有效的信號電平。

RS-232規(guī)范定義了具有25條信號線的20引腳D連接器的引腳排列，但具有9條信號線的5引腳連接器（如圖232所示）更為常見。每個方向使用一條線進行數(shù)據傳輸;其余線路指定用于通信協(xié)議。簡單來說，RS-25只需三條線即可實現(xiàn)：Tx（發(fā)送數(shù)據），Rx（接收數(shù)據）和GND（接地）。用于設備安全的保護接地在 <> 針連接器中定義。此線路通常連接到電源接地或機箱接地，不應連接到信號接地或從系統(tǒng)連接到系統(tǒng)。

圖5.8 信號 RS-232 網絡配置。

RS-232標準將設備分為兩類：DCE（數(shù)據通信設備）和DTE（數(shù)據終端設備）。這些名稱是其計算機和調制解調器遺產的遺產;這些術語現(xiàn)在只是定義哪些線路作為輸入連接，哪些線路作為輸出連接。

RS-232通常用于連接多個系統(tǒng)，因此每個系統(tǒng)和總線之間的隔離至關重要。數(shù)字隔離器不支持RS-232標準，因此不能在收發(fā)器和電纜之間使用;相反，它們在收發(fā)器和本地系統(tǒng)之間使用。收發(fā)器的系統(tǒng)側通常使用0 V至3 V或0 V至5 V邏輯電平連接到通用異步接收器/發(fā)射器（UART）或處理器。由于i耦合器隔離器的輸入和輸出電路彼此電氣隔離，因此可以在UART和收發(fā)器之間放置一個，作為將系統(tǒng)與電纜隔離的簡單方法。為了完成隔離，使用隔離式DC-DC轉換器為隔離器和收發(fā)器供電。ADuM1402 i耦合器數(shù)字隔離器、ADM232L RS-232收發(fā)器和隔離電源（如圖6所示）的組合消除了接地環(huán)路，并提供了有效的浪涌損壞保護。

圖6.5 信號隔離 RS-232 電路（DTE 側圖示）。

RS-485：RS-485標準規(guī)定可驅動多達32對驅動器和接收器。它的多功能性和驅動 4000 米電纜的能力使其在廣泛的應用中很受歡迎，特別是對于長距離互連系統(tǒng)。小型計算機系統(tǒng)接口（SCSI）和PROFIBUS協(xié)議都使用RS-485進行通信。

可用電纜長度取決于數(shù)據速度要求，速度/長度組合范圍從 200 米處的 1200 kbps 到 12 米處的 100 Mbps。使用平衡差分信號，RS-485驅動器通過兩條輸出線發(fā)送數(shù)據。接收器通過比較兩個信號來確定邏輯狀態(tài);大于200 mV的差值可提供有效的邏輯電平。驅動器和接收器中的差分放大器在信號線之間引導電流。與RS-232等單端方案相比，這提供了高水平的抗噪性。

使能功能允許驅動器進入高阻抗狀態(tài);因此，多個驅動程序可以共享一條總線而不會發(fā)生爭用。軟件協(xié)議定義了總線仲裁程序，使除一個驅動程序之外的所有驅動程序始終處于非活動狀態(tài)，并允許多達 32 個驅動程序共享線路。半雙工、2線雙向配置如圖7所示。每個節(jié)點包含一個驅動器和接收器，所有驅動器和接收器共享同一根 2 線雙絞線電纜。雖然這簡化了安裝并降低了成本，但它限制了最大吞吐率。4線全雙工配置（使用一個節(jié)點作為主節(jié)點，其余節(jié)點作為從節(jié)點）更復雜，但提供更高的數(shù)據速率。

圖7.2線、多點、半雙工RS-485網絡。

由于RS-485通常用于連接多個系統(tǒng)，因此每個系統(tǒng)和總線之間的隔離至關重要。與RS-232一樣，數(shù)字隔離器不支持RS-485標準，因此不能在收發(fā)器和電纜之間使用;相反，它們在收發(fā)器和本地系統(tǒng)之間使用。收發(fā)器的系統(tǒng)端通常連接到本地總線或處理器。由于i耦合器隔離器的輸入和輸出電路彼此電氣隔離，因此在處理器和收發(fā)器之間插入一個是將系統(tǒng)與電纜隔離的簡單方法。為了完成隔離，使用隔離式DC-DC轉換器為隔離器和收發(fā)器供電。ADuM1301 i耦合器數(shù)字隔離器和圖8所示的隔離電源的組合消除了接地環(huán)路，并提供了有效的浪涌損壞保護。

圖8.隔離式RS-485電路。

圖9所示為單芯片隔離式RS-2486收發(fā)器ADM485。

圖9.ADM2486隔離式RS-485收發(fā)器。

CAN總線：CAN總線標準最初是為汽車應用開發(fā)的，規(guī)定了2線串行通信協(xié)議，允許高達1 Mbps的數(shù)據速率，多達30個節(jié)點和40米的最大電纜長度。它在幀中傳輸異步數(shù)據，幀由開始位和停止位、仲裁字段、控制字段、循環(huán)冗余校驗 （CRC） 字段和應答字段組成。每個節(jié)點都可以同時偵聽和傳輸，因此該協(xié)議最重要的功能之一是其非破壞性位仲裁，可確保不會丟失任何數(shù)據。每個節(jié)點在每條消息的開頭傳輸一個主導消息開始 （SOM） 位。其他節(jié)點將看到此活動，并且在消息完成之前不會嘗試啟動傳輸。接下來，傳輸 11 位或 29 位仲裁字段。此字段也稱為標識符，用于確定總線上發(fā)送的消息的優(yōu)先級。優(yōu)先級最高的節(jié)點始終控制總線，而將優(yōu)先級較低的節(jié)點留待等待。這種非破壞性仲裁可確保最高優(yōu)先級的消息始終通過。

CAN總線如圖10所示，使用平衡的2線差分接口，通常工作在3 V或5 V。 采用非歸零（NRZ）編碼，確保緊湊的消息具有最少的轉換次數(shù)和高抗噪性。CAN總線收發(fā)器使用一對漏極開路器件產生CANH差分信號（V抄送– 0.9 V） 至 CANL （1.5 V）。當驅動時，發(fā)射器產生主導信號，這表示邏輯低電平。當沒有驅動發(fā)射器時，上拉電阻將總線設置為V抄送/2，產生隱性信號，表示邏輯高電平。待機控制將收發(fā)器置于低功耗模式。低功耗接收器在待機模式下保持活動狀態(tài)，監(jiān)控總線的狀態(tài)變化，并在檢測到活動時向控制器發(fā)出激活本地節(jié)點的信號。

圖 10.CAN總線網絡。

與RS-232和RS-485一樣，數(shù)字隔離器不支持CAN總線標準，因此不能在收發(fā)器和電纜之間使用;而是使用標準 3V 或 5V 邏輯電平在收發(fā)器和本地 CAN 控制器之間使用它們。由于i耦合器隔離器的輸入和輸出電路彼此電氣隔離，因此將系統(tǒng)與電纜隔離的一種簡單方法是在處理器和收發(fā)器之間插入一個。為了完成隔離，使用隔離式DC-DC轉換器為隔離器和收發(fā)器供電。i耦合器數(shù)字隔離器和隔離電源的組合（如圖11所示）消除了接地環(huán)路，并提供了有效的浪涌損壞保護。

圖 11.隔離的CAN總線網絡。

更多關于i耦合器

基于i耦合器技術的數(shù)字隔離器在集成度、性能、功耗、易用性和可靠性方面可與光耦合器相媲美。我耦合器器件是獨立的，除了通常的旁路電容器外，不需要額外的組件;它們通常更快，具有更高的數(shù)據速率（至 100 Mbps）和更短的傳播延遲（18 ns）;其功耗（從5 mW @ 1 Mbps到22 mW @ 25 Mbps）是同類光耦合器的1/70至1/5，相鄰元件的發(fā)熱可以忽略不計;它們可以以與標準數(shù)字CMOS相同的方式使用;它們可以在更高的溫度下工作——傳播延遲基本上對溫度不敏感;而且它們的使用壽命更長，沒有 LED 磨損。它們具有與高質量光耦合器類似的安全認證。目前可用的i耦合器器件的絕緣額定值為2.5 kV rms（400 V rms穩(wěn)態(tài)），未來改進的前景優(yōu)于50%。

全面披露

由于模擬對話不是食譜，這些示例基本上說明了如何在網絡通信中使用耦合器技術;它們不是經過測試的應用程序的詳細原理圖。

審核編輯：郭婷