引言
在工業(yè)過程控制、穩(wěn)壓電源和計(jì)算機(jī)之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信等應(yīng)用中,都是采用串行通信總線在各種物理網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)據(jù),例如RS-232、RS-485和控制器局域網(wǎng)（CAN）總線�；ミB系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)通常都有自己的電源,而且往往相距很遠(yuǎn),所以通常都需要采用電流隔離不形成接地環(huán)路,保護(hù)系統(tǒng)免遭瞬態(tài)高電壓損壞,而且降低了信號(hào)失真,也保護(hù)了人身安全。

隔離
變壓器、耦合電容器、光耦合器以及本文討論的iCoupler隔離器——都是提供電流隔離的典型方法,它們能阻斷兩點(diǎn)之間的電流,同時(shí)允許數(shù)據(jù)順利通過（見圖1）。隔離用來保護(hù)設(shè)備以防由電源浪涌或接地環(huán)路引起的高電壓或電流,這在任何有多個(gè)接地通路的系統(tǒng)中都有可能發(fā)生。被長電纜分開的系統(tǒng)地線因?yàn)椴皇翘幱谙嗟鹊碾娢?所以地電流會(huì)在這兩個(gè)系統(tǒng)之間流動(dòng)。如果不采用隔離,上述電流會(huì)引入噪聲,降低測量質(zhì)量,甚至毀壞系統(tǒng)元件。
工業(yè)環(huán)境下發(fā)生的因電機(jī)開關(guān)、靜電放電（ESD）或者鄰近電弧閃擊通過感應(yīng)方式耦合到長電纜中的電流會(huì)引起地電位的快速變化,常常會(huì)高達(dá)上百甚至上千伏。當(dāng)這種情況出現(xiàn)時(shí),應(yīng)將遠(yuǎn)程系統(tǒng)需要的邏輯電平開關(guān)信號(hào)疊加到相對(duì)于其本地的地電位的高電壓上。如果沒有隔離,此電壓可能會(huì)破壞信號(hào)或者損壞系統(tǒng)。如果將連接到總線上的所有器件都參考同一地線可以保護(hù)該系統(tǒng)以防這種破壞性的高電壓,而且隔離的器件會(huì)防止形成接地環(huán)路和電涌。
要完全地隔離系統(tǒng),必須隔離所有的信號(hào)線和電源。帶隔離的DC/DC變換器可以提供電源隔離,而iCoupler數(shù)字隔離器可以提供信號(hào)隔離。

圖1  電流隔離器允許信息通過而阻止電流通過

圖2  在iCoupler隔離器的輸出端恢復(fù)數(shù)字輸入信號(hào)

iCoupler技術(shù)
iCoupler隔離器是基于芯片尺寸變壓器的磁耦合器,這是與光耦合器中采用的發(fā)光二極管（LED）和光電二極管對(duì)比的不同之處。iCoupler技術(shù)消除了與光耦合器相關(guān)的不確定的電流傳送比率、非線性傳送特性以及隨時(shí)間漂移和隨溫度漂移問題;功耗降低了90％;并且無需外部驅(qū)動(dòng)器或分立器件。
變壓器初級(jí)端的電路將輸入邏輯跳變編碼成1 ns的脈沖,然后通過變壓器對(duì)它耦合;次級(jí)端電路檢測這些經(jīng)過耦合的脈沖并且恢復(fù)輸入信號(hào),如圖2所示。輸入端有一個(gè)刷新電路保證即使不存在輸入跳變的情況下輸出狀態(tài)也能與輸入狀態(tài)相匹配。這對(duì)于上電狀態(tài)和具有低數(shù)據(jù)速率的輸入波形或恒定的直流輸入情況下是很重要的。
因?yàn)閕Coupler產(chǎn)品的目的是將輸入和輸出隔離開,所以變壓器初級(jí)端的電路和次級(jí)端的電路必須封裝在分開的芯片中。變壓器本身可以置于上述任何一顆芯片中——或者第三顆芯片中。整個(gè)芯片組被組裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的塑料封裝中,類似多種半導(dǎo)體器件所采用的封裝。
iCoupler器件的一個(gè)新特點(diǎn)是其發(fā)送通道和接收通道結(jié)合在同一封裝中的能力。因?yàn)閕Coupler變壓器本質(zhì)上是雙向的,所以只要變壓器的兩端有適當(dāng)?shù)碾娐?信號(hào)就可以從任何一個(gè)方向通過。按照這種方法,就可以提供具有各種發(fā)送通道或接收通道配置的多通道隔離器。

圖3  8信號(hào)線RS-232網(wǎng)絡(luò)配置

圖4  帶隔離的RS-485電路

圖5  ADM2486帶隔離的RS-485收發(fā)器

圖6  帶隔離的CAN總線網(wǎng)絡(luò)

串行通信總線
RS-232（EIA232）和RS-485（EIA/TIA485）規(guī)約只規(guī)定了物理層,從而信號(hào)協(xié)議允許由用戶來定義,或者按照規(guī)定在物理層使用它們的其它標(biāo)準(zhǔn)來定義。另外,CAN總線規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。
RS-232總線：RS-232總線標(biāo)準(zhǔn)是最常見的串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)之一。它目前仍廣泛用作系統(tǒng)間的通信鏈路,其簡易、靈活性以及長期的成功使用決定了它的繼續(xù)流行。它適合于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信,采用兩根具有接地參考信號(hào)的專用非平衡的單端線可提供全雙工通信。
RS-232的數(shù)據(jù)速率限制在20 kbps,或者在低電壓偏差條件下可以到64 kbps。最大實(shí)際電纜長度限于大約16 m,最大容性負(fù)栽為2500 pF,負(fù)栽阻抗為3 kΩ~7 kΩ。RS-232規(guī)定了邏輯1（正邏輯）的驅(qū)動(dòng)器輸出電平為-5 V~-15 V,對(duì)于邏輯0（負(fù)邏輯）則為＋5 V~＋15 V——對(duì)于邏輯1的接收器輸入電平為-5 V~-15 V,對(duì)于邏輯0則為＋5 V~＋15 V。收到有效的信號(hào)電平。

RS-232規(guī)約規(guī)定了具有20根信號(hào)線的25針D形連接器的引腳排列,但是更常見的是具有8根信號(hào)線的9針D形連接器,如圖3所示。每個(gè)方向都有一根線用于數(shù)據(jù)傳輸,其余的線用于通信協(xié)議。在最簡單的情況下,實(shí)現(xiàn)RS-232總線僅使用其中三根線：Tx（發(fā)送數(shù)據(jù)）,Rx（接收數(shù)據(jù)）和GND（地線）。
RS-232通常用于連接多個(gè)系統(tǒng),所以各系統(tǒng)和總線之間的隔離是至關(guān)重要的。數(shù)字隔離器不支持RS-232標(biāo)準(zhǔn),所以它們不能用在收發(fā)器和電纜之間,而只能用在收發(fā)器和本地系統(tǒng)之間。收發(fā)器的系統(tǒng)端通常連接到通用異步收發(fā)器（UART）或者處理器,采用0～3 V或者0～5 V的邏輯電平。因?yàn)閕Coupler隔離器的輸入和輸出電路彼此是電隔離的,所以將其置于UART和收發(fā)器之間,作為隔離系統(tǒng)和電纜的一種簡單方法。為了完成這種隔離,通常用一種帶隔離的DC/DC變換器給該隔離器和收發(fā)器供電。ADuM1402 iCoupler數(shù)字隔離器、ADM232L  RS-232收發(fā)器和帶隔離的電源的組合用法,如圖3所示,避免了接地環(huán)路問題并且提供了有效的保護(hù)以防止浪涌破壞。
RS-485總線：規(guī)定RS-485標(biāo)準(zhǔn)用來驅(qū)動(dòng)多達(dá)32對(duì)驅(qū)動(dòng)器和接收器。其通用性和驅(qū)動(dòng)長4000 m電纜的能力使得它常用于各種應(yīng)用,尤其是遠(yuǎn)距離的系統(tǒng)之間互連。小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口（SCSI）和PROFIBUS協(xié)議都采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)用于通信。
可用的電纜長度取決于對(duì)數(shù)據(jù)速率的要求,其速度和距離組合可以從1200米對(duì)應(yīng)200 kbps到100米對(duì)12 Mbps。RS-485驅(qū)動(dòng)器采用平衡的差分信號(hào),通過兩根輸出線發(fā)送數(shù)據(jù)。接收器通過比較兩個(gè)信號(hào)確定邏輯狀態(tài);如果差分信號(hào)電壓大于200 mV便可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控制信號(hào)線間的電流方向。這樣就比諸如RS-232單端信號(hào)方案提供較高的抗噪聲干擾能力。
因?yàn)镽S-485通常用于連接多個(gè)系統(tǒng),所以各系統(tǒng)和總線之間的隔離非常關(guān)鍵。像使用RS-232一樣,數(shù)字隔離器不支持RS-485標(biāo)準(zhǔn),所以它們不能用在收發(fā)器和電纜之間,而只能用在收發(fā)器和本地系統(tǒng)之間。收發(fā)器的系統(tǒng)端通常連接到本地總線或者處理器。因?yàn)閕Coupler隔離器的輸入和輸出電路彼此是電隔離的,所以將其置于處理器和收發(fā)器之間是一種隔離系統(tǒng)和電纜的簡單方法。為了完成這種隔離,通常使用帶隔離的DC/DC變換器給隔離器和收發(fā)器供電。ADuM1301 iCoupler數(shù)字隔離器和帶隔的離電源的組合用法,如圖4所示,避免了接地環(huán)路問題并且提供了有效的保護(hù)以防止浪涌破壞。
圖5示出了ADM2486單芯片隔離RS-485收發(fā)器。
CAN總線：CAN總線標(biāo)準(zhǔn),最初是為汽車應(yīng)用開發(fā)的,它規(guī)定了一種2線串行通信協(xié)議,允許高達(dá)1 Mbps的數(shù)據(jù)速率、多達(dá)30個(gè)結(jié)點(diǎn)和40米的最大電纜長度。它以幀為單位傳送異步數(shù)據(jù),幀中包括起始位（bit）和停止位、一個(gè)仲裁字段、一個(gè)控制字段、一個(gè)循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）字段和一個(gè)確認(rèn)字段。每個(gè)結(jié)點(diǎn)都能同時(shí)偵聽和傳送數(shù)據(jù),所以該協(xié)議最重要的特點(diǎn)之一就是其非破壞性的位序列仲裁,它保證了不會(huì)有數(shù)據(jù)丟失。每個(gè)結(jié)點(diǎn)在消息開始時(shí)發(fā)送一個(gè)主消息起始（SOM）位。其它的結(jié)點(diǎn)將會(huì)看到此動(dòng)作并且在該消息完成之前都不會(huì)啟動(dòng)一次傳輸。然后,發(fā)送11 bit或者29 bit的仲裁字段。該字段也稱為標(biāo)識(shí)符,指示總線上所發(fā)送消息的優(yōu)先次序。任何時(shí)候都是最高優(yōu)先級(jí)的結(jié)點(diǎn)控制總線,讓較低優(yōu)先級(jí)的結(jié)點(diǎn)等待。這種非破壞性的仲裁確保了最高優(yōu)先級(jí)的消息總能通過。
像使用RS-232和RS-485總線一樣,數(shù)字隔離器不支持CAN總線標(biāo)準(zhǔn),所以它們不能用在收發(fā)器和電纜之間,而只能用在收發(fā)器和本地CAN控制器之間,采用3V或5V的邏輯電平。因?yàn)閕Coupler隔離器的輸入電路和輸出電路彼此是電隔離的,隔離系統(tǒng)和電纜的一種簡單的方法是將其置于處理器和收發(fā)器之間。為了完成這種隔離通常用一種帶隔離的DC/DC變換器給該隔離器和收發(fā)器供電。iCoupler數(shù)字隔離器和帶隔離的電源的組合用法,如圖6所示,避免了接地環(huán)路問題并且提供了有效的保護(hù)以防止浪涌破壞。

iCoupler
基于iCoupler工藝的數(shù)字隔離器在集成度、性能、功耗、易用性和可靠性方面都要優(yōu)于光耦合器。ICoupler器件是配套齊全的器件,除了常用的旁路電容以外無需外部元件;它們通常以較高的數(shù)據(jù)速率（達(dá)100 Mbps）和較短的傳播延遲（18 ns）比較快速地工作;其功耗（從5 mW@1 Mbps～22 mW@25 Mbps）只有同類光耦合器的1/70～1/5,可以忽略不計(jì)對(duì)相鄰元件的發(fā)熱量;其使用方法與標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字CMOS器件一樣;它們可以在較高溫度下工作——傳播延遲基本上不受溫度影響;而且它們還具有延長的工作壽命,不存在LED的用壞問題。它們還通過了類似高質(zhì)量光耦合器的安全認(rèn)證。目前可提供的iCoupler器件具有2.5 kV rms額定隔離度（穩(wěn)定狀態(tài)下為400 V rms）,具有提高50％以上的未來發(fā)展前景。■