電流隔離LVDS接口

Thomas Brand ADI 公司

在這個(gè)自動化、數(shù)字化和工業(yè)4.0的時(shí)代，信號和數(shù)據(jù)的傳輸正在發(fā)揮著越來越大的作用。生產(chǎn)車間內(nèi)外的這些應(yīng)用中的機(jī)器、系統(tǒng)甚至個(gè)別傳感器的聯(lián)網(wǎng)，不僅需要穩(wěn)定的基礎(chǔ)設(shè)施，還需要安全、快速、高精度、無干擾、高帶寬的傳輸路徑。根據(jù)應(yīng)用情況，傳輸路徑可能需要承受極端惡劣的環(huán)境條件。數(shù)據(jù)傳輸有多種不同方法：有線、無線、串行和并行。所有方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，需要針對具體應(yīng)用情況仔細(xì)權(quán)衡。

與有線系統(tǒng)相比，無線技術(shù)依賴一系列關(guān)鍵參數(shù)、不同元器件和當(dāng)前環(huán)境影響等因素。無線電通信的一個(gè)重要方面是無線電范圍，它取決于發(fā)射和接收天線的位置、發(fā)射功率、本地環(huán)境條件和頻率范圍。因此，在規(guī)劃無線電傳輸應(yīng)用時(shí)，必須考慮相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，尤其是與通信范圍有關(guān)（因而與接收信號質(zhì)量有關(guān)）的標(biāo)準(zhǔn)。

過去，幾Mbps的帶寬即足以滿足接口轉(zhuǎn)換器或工業(yè)背板等應(yīng)用的需求。串行外設(shè)接口(SPI)或RS-485等不同接口部分需要的隔離，仍然可以通過標(biāo)準(zhǔn)解決方案實(shí)現(xiàn)。然而，當(dāng)前的工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等潮流需要大量測量和極其復(fù)雜的控制系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)速率或帶寬的要求也更高，而這又必須由接口承擔(dān)。對接口的這些及其他不斷增長的需求，例如更高安全性（體現(xiàn)為更高的介電強(qiáng)度）、更高可靠性和更小空間要求，傳統(tǒng)解決方案已不再管用。對此，數(shù)字隔離器也是最佳解決方案，因?yàn)槠洳粌H滿足上述更高的安全性、性能和可靠性要求，而且還提供集成隔離及多路輸入輸出。

信號傳輸應(yīng)用常用的方法是低壓差分信號傳輸(LVDS)。這涉及到串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募扔薪涌跇?biāo)準(zhǔn)(TIA/EIA-644)，除了極佳的節(jié)能特性和高達(dá)幾Gbps的數(shù)據(jù)速率潛力之外，它還具有很高的抗擾度。這些良好特性可歸因于內(nèi)部使用的電流控制或驅(qū)動器模塊的限流功能（最大3 mA）。信號差分電壓僅為20 mV。但是，它隨后在接收器側(cè)被放大回300 mV（差分）的邏輯電平。由此獲得的好處包括電磁干擾(EMI)極其低、開關(guān)速度極其快等。

LVDS接口常常與控制和調(diào)節(jié)系統(tǒng)一起使用，大數(shù)據(jù)量必須在電子電路之間或短電纜之間發(fā)送。它還能將時(shí)鐘信號非?？焖俚胤峙浣o完整應(yīng)用中的不同器件，從而使相應(yīng)器件同步。工業(yè)測量應(yīng)用和控制系統(tǒng)中的模擬前端(AFE)屬于LVDS的典型應(yīng)用。不過，它也常用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的以及視頻信號傳輸中的數(shù)字接口，例如通過HDMI?。另一個(gè)不容忽視的方面是LVDS電路提供電流隔離的可能性。因此，它也用于任何需要隔離通信接口的地方，例如在電子電路或背板中。

背板是含有多個(gè)連接器的電路板，用于容納各種外掛板模塊?；鞠到y(tǒng)利用背板可輕松實(shí)現(xiàn)即插即用擴(kuò)展，以包括更多組件。然而，外掛模塊常常要經(jīng)受高壓瞬變，因?yàn)樵谠S多應(yīng)用中，它們與連接到配電網(wǎng)的部件直接接觸。因此，外掛模塊容易受到雷擊等外部事件的影響。人體接觸引起的靜電放電，內(nèi)部電容突然充電、反極性充電或在插拔外掛模塊時(shí)放電，也會導(dǎo)致高瞬變。因此，安全隔離接口對于系統(tǒng)是必不可少的。否則，如果發(fā)生電壓瞬變，相連組件很容易損壞，或者危及用戶。功能隔離的通信接口對工業(yè)測量儀器也很有利，因?yàn)楦綦x接口提供一個(gè)浮空接地，例如位于模數(shù)轉(zhuǎn)換器和微控制器之間。這樣，測量信號就不會影響和干擾應(yīng)用的其余部分，也不會受其影響或干擾。

市場上已經(jīng)有各種各樣用于實(shí)現(xiàn)隔離LVDS接口的產(chǎn)品。ADI公司的隔離LVDS系列是非常有效且可靠的解決方案，包括ADN4650、ADN4651和ADN4652，支持高達(dá)600 Mbps的數(shù)據(jù)速率，同時(shí)也符合非隔離LVDS接口的標(biāo)準(zhǔn)值。相比之下，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器只能達(dá)到150 Mbps。由于采用iCoupler?技術(shù)，盡管存在隔離，該系列仍能實(shí)現(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)速率。這涉及到利用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)實(shí)現(xiàn)片上變壓器，從而簡單地隔離數(shù)字信號并節(jié)省空間。

LVDS系列還提供超精密時(shí)間特性和極低的抖動（也稱為時(shí)序抖動）。抖動描述數(shù)字信號的上升沿和下降沿相對于理想時(shí)間基準(zhǔn)的偏差。在高數(shù)據(jù)速率下，低抖動非常重要，因?yàn)橐?00Mbps的速率傳輸一比特僅需1.6 ns。對信號上升沿或下降沿中的抖動要求是，必須讓模數(shù)轉(zhuǎn)換器有足夠的時(shí)間來達(dá)到實(shí)際的高電平或低電平，以便可以正確執(zhí)行采樣。對于ADN465x系列，抖動典型值為70 ps。LVDS模塊還提供兩個(gè)隔離LVDS通道，構(gòu)成ADN4651中的發(fā)射和接收通道。ADN4652中的通道排列與ADN4651中的通道排列相反，而ADN4650僅提供發(fā)射或接收通道，具體取決于接線。ADN465x系列利用內(nèi)部2.5 V電源電壓工作；遺憾的是，工業(yè)系統(tǒng)常常沒有這種電源電壓，僅提供3.3 V電壓。因此，ADN465x系列中集成了低壓差穩(wěn)壓器(LDO)，其輸入端可接受3.3 V的外部電源電壓。模塊或其輸入端及其隔離輸出端的供電可以使用隔離式ADuM5000 DC-DC轉(zhuǎn)換器等實(shí)現(xiàn)。這樣可以選擇性地產(chǎn)生5 V或3.3 V的隔離輸出電壓，最大功率輸出為500 mW。此電路配置如圖1所示。

結(jié)合ADuM5000，該器件系列可滿足當(dāng)今工業(yè)應(yīng)用對隔離LVDS接口的眾多要求。這種高度集成的解決方案還滿足標(biāo)準(zhǔn)化總線通信的所有先決條件。LVDS接口經(jīng)常用于節(jié)能應(yīng)用。對此，ADN4651和ADuM5000的組合是替代傳統(tǒng)光耦合器的極其省電的解決方案。常常需要同時(shí)隔離多個(gè)通道。

在LVDS應(yīng)用中，通道并行使用以使吞吐速率和相應(yīng)的波特率最大。所述采用ADI公司上述模塊的電路提供一個(gè)四通道隔離器：兩個(gè)發(fā)射通道和兩個(gè)接收通道。因此，一個(gè)電子組件上的兩個(gè)完整發(fā)射和接收通道可同時(shí)以非常高的傳輸速率進(jìn)行信號傳輸。

只要符合關(guān)于最大脈沖寬度失真的要求，利用ADN465x系列便可輕松達(dá)到DC至600 Mbps的數(shù)據(jù)速率。此外，布局中必須考慮與高速傳輸差分信號相關(guān)的一些因素。輸入側(cè)和輸出側(cè)走線應(yīng)匹配，并且相對于地具有近似50Ω的阻抗，或信號線之間具有100Ω阻抗。另外，建議在LVDS輸入端連接100Ω端接電阻，如圖2所示。

電纜長度和連接器類型也會影響最大數(shù)據(jù)速率。使用較低數(shù)據(jù)速率（最高200 Mbps）并與支持高數(shù)據(jù)速率和帶有屏蔽線對的連接器結(jié)合時(shí)，電纜甚至可以長達(dá)數(shù)米。

ADN4650/ADN4651/ADN46521是信號隔離式LVDS緩沖器，數(shù)據(jù)速率高達(dá)600 Mbps，并且具有極低的抖動。與ADuM5000的這種組合使其成為高速信號傳輸?shù)睦硐脒x擇，能夠?qū)崿F(xiàn)短距離600 Mbps和數(shù)米距離200 Mbps的傳輸速率。

作者簡介

Thomas Brand于2015年10月在德國慕尼黑加入ADI公司，當(dāng)時(shí)他還在攻讀碩士。2016年5月至2017年1月，他參加了ADI公司的現(xiàn)場應(yīng)用工程師培訓(xùn)生項(xiàng)目。之后在2017年2月，他開始擔(dān)任現(xiàn)場應(yīng)用工程師職位，主要負(fù)責(zé)工業(yè)大客戶。此外，他還專注于研究工業(yè)以太網(wǎng)，并為中歐的相關(guān)事務(wù)提供支持。

他畢業(yè)于德國莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專業(yè)，之后在德國康斯坦茨應(yīng)用科學(xué)大學(xué)獲得國際銷售碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：thomas.brand@analog.com 。