RS-232，RS-485和CAN總線有了新的“守護(hù)神”：數(shù)字隔離器

在工業(yè)過(guò)程控制，電源調(diào)節(jié)和計(jì)算機(jī)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信等應(yīng)用中，串行通信總線通過(guò)各種物理網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，如RS-232 ，RS-485和控制器區(qū)域網(wǎng)（CAN）。每個(gè)互連系統(tǒng)通常都有自己的電源，系統(tǒng)通常需要長(zhǎng)距離分離，因此通常需要電流隔離來(lái)打破接地回路，保護(hù)系統(tǒng)免受高壓瞬變的影響，并減少信號(hào)失真至于物理安全。

隔離

變壓器，耦合電容，光耦合器 - 現(xiàn)在， i 耦合器 - 是提供電流隔離的典型方法，它可以阻止來(lái)自兩點(diǎn)之間流動(dòng)的電流，同時(shí)允許數(shù)據(jù)暢通無(wú)阻（圖1）。隔離用于防止由線路浪涌或接地回路引起的高電壓或電流，這可能發(fā)生在具有多個(gè)接地路徑的任何系統(tǒng)中。由長(zhǎng)電纜隔開(kāi)的系統(tǒng)接地不會(huì)處于相同的電位，因此接地電流將在兩個(gè)系統(tǒng)之間流動(dòng)。如果沒(méi)有隔離，這種電流可能會(huì)引入噪聲，降低測(cè)量結(jié)果，甚至?xí)茐南到y(tǒng)組件。

通過(guò)電機(jī)開(kāi)關(guān) on 《電感耦合到工業(yè)環(huán)境中的長(zhǎng)電纜中的電流《 / em》和 off ，靜電放電（ESD）或附近的雷擊可能導(dǎo)致地電位的快速變化，通?？蛇_(dá)數(shù)百或數(shù)千伏。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，遠(yuǎn)程系統(tǒng)預(yù)期的邏輯電平轉(zhuǎn)換信號(hào)將疊加在相對(duì)于其本地接地的高電壓上。如果沒(méi)有隔離，此電壓可能會(huì)破壞信號(hào)或損壞系統(tǒng)。將連接到總線的所有設(shè)備引入單個(gè)接地將保護(hù)系統(tǒng)免受這種破壞性能量的影響，隔離設(shè)備將防止接地回路和電涌。

要完全隔離系統(tǒng)，必須隔離所有信號(hào)線和電源。隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器可提供電源隔離，而 i 耦合器數(shù)字隔離器提供信號(hào)隔離。

i 耦合器技術(shù)《 / h3》

i 耦合器隔離器是基于芯片級(jí)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，以及放置在鈍化層頂部的金層。金層下面的高擊穿聚酰亞胺層使頂部變壓器線圈與底部絕緣。連接到頂部和底部線圈的高速CMOS電路提供每個(gè)變壓器與其外部信號(hào)之間的接口。晶圓級(jí)處理提供了一種在單個(gè)封裝中集成多個(gè)隔離通道以及其他半導(dǎo)體功能的低成本方法。 i 耦合器技術(shù)消除了不確定的電流傳輸比，非線性傳遞函數(shù)以及與光耦合器相關(guān)的漂移（隨時(shí)間和溫度）;降低功耗高達(dá)90％;并且不需要外部驅(qū)動(dòng)器或分立器件。

變壓器初級(jí)側(cè)的電路將輸入邏輯轉(zhuǎn)換編碼為1 ns脈沖，然后通過(guò)變壓器耦合;次級(jí)側(cè)的電路檢測(cè)它們并重新創(chuàng)建輸入信號(hào)，如圖3所示。輸入側(cè)的刷新電路確保輸出狀態(tài)與輸入狀態(tài)相匹配如果沒(méi)有輸入轉(zhuǎn)換。這對(duì)于上電情況以及低數(shù)據(jù)速率或恒定直流輸入的輸入波形非常重要。

因?yàn)?i 耦合器產(chǎn)品的目的是將輸入與輸出隔離，所以變壓器一側(cè)的電路必須包含在與電路上的電路不同的芯片上。變形金剛的第二面。變壓器本身可以放置在芯片上或第三個(gè)芯片上，如圖4所示的ADuM140x。整個(gè)芯片組組裝在標(biāo)準(zhǔn)塑料封裝內(nèi)，類似于用于各種半導(dǎo)體器件的封裝。

i 耦合器設(shè)備的一個(gè)新功能是它們能夠在同一個(gè)包中同時(shí)結(jié)合傳輸和接收通道。 i 耦合器變壓器本質(zhì)上是雙向的，因此只要變壓器的每一側(cè)都有適當(dāng)?shù)碾娐?，信?hào)就可以向任一方向傳遞。通過(guò)這種方式，多通道隔離器提供各種發(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，允許信號(hào)協(xié)議由用戶定義，或者由指定其在物理層中使用的其他標(biāo)準(zhǔn)定義。另一方面，CAN總線定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。

RS-232： RS-232總線標(biāo)準(zhǔn)是最受歡迎的串行通信總線之一，最初于1962年指定用于計(jì)算機(jī)和調(diào)制解調(diào)器之間的通信。它仍然被廣泛用作系統(tǒng)間通信鏈路，其簡(jiǎn)單性，靈活性和成功使用的悠久歷史是其持續(xù)流行的原因。它專為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信而設(shè)計(jì)，使用兩條專用的非平衡單端線路和地面參考信號(hào)提供全雙工通信。

數(shù)據(jù)速率限制為20 kbps或64 kbps低壓變化。 2500-pF最大負(fù)載電容和3-koh -7-kohm負(fù)載阻抗將最大實(shí)際電纜長(zhǎng)度限制在約16米。 RS-232指定驅(qū)動(dòng)器輸出電平為-5 V至-15 V（邏輯1）和+5 V至+15 V（邏輯0）和接收器輸入電平（-3 V至-15 V）邏輯1和+3 V至+15 V（邏輯0）-3 V和+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聲能力，并允許通過(guò)冗長(zhǎng)的電纜接收有效的信號(hào)電平。

RS-232規(guī)范定義了25針D型連接器的引腳排列。信號(hào)線，但有8條信號(hào)線的9針連接器，如圖5所示，更常見(jiàn)。每個(gè)方向上的一條線用于數(shù)據(jù)傳輸;其余行被指定用于通信協(xié)議。最簡(jiǎn)單的是，RS-232只需三條線即可實(shí)現(xiàn)： Tx （傳輸數(shù)據(jù)）， Rx （接收數(shù)據(jù)）和GND（地）。用于設(shè)備安全的保護(hù)接地在25針連接器中定義。該線路通常連接到電源接地或機(jī)殼接地，不應(yīng)連接到信號(hào)地或系統(tǒng)與系統(tǒng)之間。

RS-232標(biāo)準(zhǔn)將設(shè)備分為兩類：DCE（數(shù)據(jù)通信設(shè)備）和DTE（數(shù)據(jù)終端設(shè)備）。這些名稱是他們的計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代傳統(tǒng)的遺產(chǎn);這些術(shù)語(yǔ)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(gè)系統(tǒng)，因此每個(gè)系統(tǒng)和總線之間的隔離至關(guān)重要。數(shù)字隔離器不支持RS-232標(biāo)準(zhǔn)，因此不能在收發(fā)器和電纜之間使用;相反，它們用在收發(fā)器和本地系統(tǒng)之間。收發(fā)器的系統(tǒng)側(cè)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)送器（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隔離，因此可以將一個(gè)放置在UART和收發(fā)器之間，作為將系統(tǒng)與電纜隔離的簡(jiǎn)單方法。為完成隔離，隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器用于為隔離器和收發(fā)器供電。 ADuM1402 i 耦合器數(shù)字隔離器，ADM232L RS-232收發(fā)器和隔離電源的組合，如圖6所示，可消除接地回路并提供有效的浪涌保護(hù)保護(hù)。

RS-485： RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可驅(qū)動(dòng)多達(dá)32對(duì)驅(qū)動(dòng)器和接收器。它的多功能性和驅(qū)動(dòng)4000米電纜的能力使其廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用，特別是對(duì)于非常長(zhǎng)距離的互連系統(tǒng)。 小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口（SCSI）和PROFIBUS協(xié)議都使用RS-485進(jìn)行通信。

可用的電纜長(zhǎng)度取決于數(shù)據(jù)速度要求，速度/長(zhǎng)度組合范圍從1200米處的200 kbps到100米處的12 Mbps。使用平衡差分信號(hào)，RS-485驅(qū)動(dòng)器通過(guò)兩條輸出線發(fā)送數(shù)據(jù)。接收器通過(guò)比較兩個(gè)信號(hào)確定邏輯狀態(tài);大于200 mV的差異提供有效的邏輯電平。驅(qū)動(dòng)器和接收器中的差分放大器在信號(hào)線之間轉(zhuǎn)向電流。與單端方案（如RS-232）相比，這提供了高水平的抗噪性。

啟用功能允許驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入高阻態(tài);所以多個(gè)驅(qū)動(dòng)程序可以共享一條總線而不會(huì)發(fā)生爭(zhēng)用。軟件協(xié)議定義了總線仲裁程序，使所有驅(qū)動(dòng)程序始終處于非活動(dòng)狀態(tài)，并允許最多32個(gè)驅(qū)動(dòng)程序共享線路。圖7顯示了半雙工，2線雙向配置。每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器，所有驅(qū)動(dòng)器和接收器共用相同的2線雙絞線電纜。雖然這簡(jiǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)作為主節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)作為從節(jié)點(diǎn) - 更復(fù)雜但提供更高的數(shù)據(jù)速率。

因?yàn)镽S-485通常用于連接多個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)和總線之間的隔離是至關(guān)重要的。與RS-232一樣，數(shù)字隔離器不支持RS-485標(biāo)準(zhǔn)，因此不能在收發(fā)器和電纜之間使用;相反，它們用在收發(fā)器和本地系統(tǒng)之間。收發(fā)器的系統(tǒng)側(cè)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隔離，因此在處理器和收發(fā)器之間插入一個(gè)是將系統(tǒng)與電纜隔離的簡(jiǎn)單方法。為完成隔離，隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器用于為隔離器和收發(fā)器供電。圖8所示的ADuM1301 i 耦合器數(shù)字隔離器和隔離電源的組合消除了接地回路，并提供有效的抗浪涌保護(hù)。

圖9顯示了ADM2486單芯片隔離式RS-485收發(fā)器。

CAN總線： CAN總線標(biāo)準(zhǔn)最初是為汽車(chē)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的，它規(guī)定了一種2線串行通信協(xié)議，允許數(shù)據(jù)速率高達(dá)1 Mbps，最多30個(gè)節(jié)點(diǎn)和40米最大電纜長(zhǎng)度。它以包含 start 和 stop 位，仲裁字段，控制字段，循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）字段和的幀發(fā)送異步數(shù)據(jù)確認(rèn)字段。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)監(jiān)聽(tīng)和傳輸，因此協(xié)議最重要的特性之一是其非破壞性位仲裁，確保不丟失任何數(shù)據(jù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)消息的開(kāi)頭發(fā)送主要的消息開(kāi)始（SOM）位。其他節(jié)點(diǎn)將看到此活動(dòng)，并且在消息完成之前不會(huì)嘗試啟動(dòng)傳輸。接下來(lái)，發(fā)送11位或29位仲裁字段。也稱為標(biāo)識(shí)符，該字段優(yōu)先考慮總線上發(fā)送的消息。優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)始終控制總線，使較低優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)等待。這種非破壞性仲裁可確保始終獲得最高優(yōu)先級(jí)的消息。

如圖10所示，CAN總線使用平衡的2線差分接口，通常工作在3 V或5 V. 使用不歸零（NRZ）編碼，確保具有最小轉(zhuǎn)換次數(shù)和高抗噪性的緊湊消息。 CAN總線收發(fā)器使用一對(duì)開(kāi)漏器件產(chǎn)生CANH（V CC - 0.9 V）到CANL（1.5 V）的差分信號(hào)。驅(qū)動(dòng)時(shí)，發(fā)送器產(chǎn)生主導(dǎo)信號(hào)，表示邏輯低。當(dāng)沒(méi)有驅(qū)動(dòng)發(fā)送器時(shí)，上拉電阻將總線設(shè)置為V CC / 2，產(chǎn)生隱性信號(hào)，表示邏輯高。 待機(jī)控制使收發(fā)器進(jìn)入低功耗模式。低功耗接收器在待機(jī)模式下保持活動(dòng)狀態(tài)，監(jiān)視總線狀態(tài)變化 - 并在檢測(cè)到活動(dòng)時(shí)發(fā)信號(hào)通知控制器激活本地節(jié)點(diǎn)。

與RS-232和RS-485一樣，數(shù)字隔離器不支持CAN總線標(biāo)準(zhǔn)，因此不能在收發(fā)器和電纜之間使用;相反，它們?cè)谑瞻l(fā)器和本地CAN控制器之間使用標(biāo)準(zhǔn)的3 V或5 V邏輯電平。由于 i 耦合器隔離器的輸入和輸出電路彼此電隔離，因此將系統(tǒng)與電纜隔離的簡(jiǎn)單方法是在處理器和收發(fā)器之間插入一個(gè)。為完成隔離，隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器用于為隔離器和收發(fā)器供電。如圖11所示， i 耦合器數(shù)字隔離器和隔離電源的組合可消除接地回路并提供有效的浪涌損壞保護(hù)。

更多關(guān)于《 span》 i 耦合器

在集成度，性能，功耗，易用性和可靠性。 i 耦合器設(shè)備是獨(dú)立的，除了通常的旁路電容器外不需要額外的元件;它們通常速度更快，數(shù)據(jù)速率更高（達(dá)到100 Mbps），傳播延遲更短（18 ns）;它們的功耗（從5 MW @ 1 Mbps到22 mW @ 25 Mbps）是同類光耦合器的1/70到1/5，相鄰組件的加熱可忽略不計(jì);它們可以像標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字CMOS一樣使用;它們可以在更高的溫度下工作 - 傳播延遲對(duì)溫度基本不敏感;它們的使用壽命更長(zhǎng)，沒(méi)有LED磨損。它們具有與高質(zhì)量光耦合器類似的安全認(rèn)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(lái)改善的可能性將超過(guò)50％。

完全披露

由于 Analog Dialogue 不是一本食譜，這些例子基本上說(shuō)明了如何在網(wǎng)絡(luò)通信中使用 i 耦合器技術(shù);它們不是測(cè)試應(yīng)用程序的詳細(xì)原理圖。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)表和任何可用的應(yīng)用說(shuō)明（見(jiàn)下文）。與往常一樣，在使用高壓電路時(shí)要格外小心。

參考電路

AN-727： i RS-485應(yīng)用中的耦合器隔離。

AN-740： i 耦合器隔離RS-232應(yīng)用。

AN-770： i CAN總線應(yīng)用中的耦合器隔離。

i 耦合器數(shù)字隔離 - 無(wú)與倫比的性能和集成。

Wayne，Scott，“在大海撈針中尋找針”，模擬對(duì)話 34-01，2000年1月至2月。