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)各種類(lèi)型的物理網(wǎng)絡(luò)(如RS-232、RS-485和控制器局域網(wǎng)(CAN))傳輸數(shù)據(jù)。每個(gè)相互連接的系統(tǒng)通常都有自己的電源，而且這些系統(tǒng)通常相距很遠(yuǎn)，因此通常需要電隔離來(lái)斷開(kāi)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，以及物理安全。

隔離

變壓器，耦合電容器，光耦合器，現(xiàn)在，我耦合器-是提供電流隔離的典型手段，它阻止電流在兩點(diǎn)之間流動(dòng)，同時(shí)允許數(shù)據(jù)暢通無(wú)阻地通過(guò)(圖1)。隔離用于防止由線路浪涌或接地回路引起的高壓或電流，這可能發(fā)生在任何具有多條接地路徑的系統(tǒng)中。被長(zhǎng)電纜隔開(kāi)的系統(tǒng)接地電位不相同，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)量精度，甚至破壞系統(tǒng)組件。

在工業(yè)環(huán)境中，由于電機(jī)開(kāi)關(guān)、靜電放電(ESD)或附近的雷擊而感應(yīng)耦合到長(zhǎng)電纜中的電流會(huì)導(dǎo)致地電位的快速變化，通常高達(dá)數(shù)百伏或數(shù)千伏。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，遠(yuǎn)程系統(tǒng)所期望的邏輯電平開(kāi)關(guān)信號(hào)將被疊加在相對(duì)于其本地地的高電壓上。如果沒(méi)有隔離，這個(gè)電壓可能會(huì)破壞信號(hào)或損壞系統(tǒng)。將所有連接到總線上的設(shè)備連接到一個(gè)地將保護(hù)系統(tǒng)免受這種破壞性能量的影響，并且隔離設(shè)備將防止接地回路和電涌。

為了使系統(tǒng)完全隔離，所有的信號(hào)線和電源都必須隔離。隔離的dc- dc轉(zhuǎn)換器可以提供電源隔離，而我耦合器數(shù)字隔離器提供信號(hào)隔離。

我耦合器技術(shù)

我與光耦合器中使用的led和光電二極管相比，耦合器隔離器是基于芯片級(jí)變壓器的磁耦合器(圖2)。平面變壓器使用CMOS金屬層，加上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)處理提供了一種低成本的方法，可以在單個(gè)封裝中集成多個(gè)隔離通道以及其他半導(dǎo)體功能。我耦合器技術(shù)消除了與光耦合器相關(guān)的不確定電流傳遞比、非線性傳遞函數(shù)和漂移(隨時(shí)間和溫度);降低功耗高達(dá)90%;并且消除了對(duì)外部驅(qū)動(dòng)器或分立設(shè)備的需求。

變壓器初級(jí)側(cè)的電路將輸入邏輯轉(zhuǎn)換編碼為1ns脈沖，然后通過(guò)變壓器耦合;二次側(cè)的電路檢測(cè)它們并重建輸入信號(hào)，如圖3所示。輸入端的刷新電路確保即使不存在輸入轉(zhuǎn)換，輸出狀態(tài)也與輸入狀態(tài)匹配。這在上電情況和低數(shù)據(jù)速率或恒定直流輸入的輸入波形中很重要。

因?yàn)?span id="hgbmvkd8g7h3" class="analog-coupler" style="font-size: 14px; box-sizing: border-box;">我耦合器產(chǎn)品是為了隔離輸入和輸出，變壓器一側(cè)的電路必須包含在一個(gè)單獨(dú)的芯片上，與變壓器另一側(cè)的電路分開(kāi)。變壓器本身可以放置在任一芯片上，也可以放置在第三個(gè)芯片上，如圖4所示的ADuM140x。整個(gè)芯片組組裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的塑料包裝類(lèi)似于用于各種半導(dǎo)體器件。

的新特點(diǎn)我耦合器設(shè)備是它們?cè)谕环庋b中組合發(fā)送和接收信道的能力。的我耦合器變壓器本質(zhì)上是雙向的，所以只要在變壓器的每一邊都有適當(dāng)?shù)碾娐罚盘?hào)就可以在任何一個(gè)方向上傳遞。以這種方式，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，允許用戶(hù)定義信號(hào)協(xié)議，或由其他標(biāo)準(zhǔn)指定其在物理層中的使用。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)是最流行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。作為系統(tǒng)間通信鏈路，它仍然被廣泛使用，它的簡(jiǎn)單性、靈活性和長(zhǎng)期成功使用的歷史說(shuō)明了它的持續(xù)流行。設(shè)計(jì)用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，它提供全雙工通信使用兩個(gè)專(zhuān)用的，不平衡的單端線路與地面參考信號(hào)。

數(shù)據(jù)速率限制在20kbps，或者在低壓變化中限制在64kbps。最大實(shí)際電纜長(zhǎng)度被限制在約16米由2500-pF最大負(fù)載電容和3-kohm至7-kohm負(fù)載阻抗。RS-232指定邏輯1的驅(qū)動(dòng)器輸出電平為- 5v至- 15v，邏輯0的驅(qū)動(dòng)器輸出電平為+ 5v至+ 15v，邏輯1的接收器輸入電平為- 3v至- 15v，邏輯0的接收器輸入電平為+ 3v至+ 15v。-3 V和+ 3v之間的電壓沒(méi)有定義。寬電壓擺幅和未定義區(qū)域確保了高水平的抗噪性，并允許在長(zhǎng)電纜上接收有效的信號(hào)電平。

RS-232規(guī)范定義了帶有20條信號(hào)線的25針D連接器的引腳，但如圖5所示，帶有8條信號(hào)線的9針連接器更為常見(jiàn)。在每個(gè)方向上使用一條線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;其余的線路是為通信協(xié)議指定的。最簡(jiǎn)單的是，RS-232可以用三條線實(shí)現(xiàn):Tx(傳輸數(shù)據(jù))，Rx(接收數(shù)據(jù))和GND(接地)。保護(hù)接地，用于設(shè)備安全，在25針連接器中定義。這條線通常連接到電源地或機(jī)箱地，不應(yīng)該連接到信號(hào)地或系統(tǒng)到系統(tǒng)。

RS-232標(biāo)準(zhǔn)將設(shè)備分為兩類(lèi):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(chēng)是他們的計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代遺產(chǎn)的遺產(chǎn);這些術(shù)語(yǔ)現(xiàn)在簡(jiǎn)單地定義了哪些線連接為輸入，哪些連接為輸出。

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?cè)谑瞻l(fā)器和本地系統(tǒng)之間使用。收發(fā)器的系統(tǒng)端通常連接到通用異步接收器/發(fā)射器(UART)或處理器，使用0 V至3 V或0 V至5 V邏輯電平。因?yàn)檩斎牒洼敵鲭娐返?span id="hgbmvkd8g7h3" class="analog-coupler" style="font-size: 14px; box-sizing: border-box;">我耦合器隔離器彼此是電隔離的，一個(gè)可以放在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。為了完成隔離，使用隔離dc- dc轉(zhuǎn)換器為隔離器和收發(fā)器供電。ADuM1402的組合我如圖6所示，耦合器數(shù)字隔離器、ADM232L RS-232收發(fā)器和隔離電源消除了接地回路，并提供了有效的保護(hù)，防止浪涌損壞。

rs - 485:RS-485標(biāo)準(zhǔn)指定驅(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米電纜的能力使其在廣泛的應(yīng)用中廣受歡迎，特別是在非常長(zhǎng)距離的互連系統(tǒng)中。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米時(shí)的200 kbps到100米時(shí)的12 Mbps。使用平衡差分信號(hào)，RS-485驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)兩條輸出線發(fā)送數(shù)據(jù)。接收機(jī)通過(guò)比較兩個(gè)信號(hào)來(lái)確定邏輯狀態(tài);大于200mv的差值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引導(dǎo)信號(hào)線之間的電流。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(qū)動(dòng)器進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài);因此，多個(gè)驅(qū)動(dòng)程序可以共享單個(gè)總線而不會(huì)產(chǎn)生爭(zhēng)用。軟件協(xié)議定義了總線仲裁程序，使除一個(gè)驅(qū)動(dòng)器外的所有驅(qū)動(dòng)器始終處于非活動(dòng)狀態(tài)，并允許多達(dá)32個(gè)驅(qū)動(dòng)器共享線路。半雙工、2線雙向配置如圖7所示。每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含驅(qū)動(dòng)器和接收器，所有驅(qū)動(dòng)器和接收器共享同一根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。

由于RS-485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。與RS-232一樣，數(shù)字隔離器不支持RS-485標(biāo)準(zhǔn)，因此它們不能在收發(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。由于輸入和輸出電路的我耦合器隔離器彼此是電隔離的，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。為了完成隔離，使用隔離dc- dc轉(zhuǎn)換器為隔離器和收發(fā)器供電。ADuM1301組合我圖8所示的耦合器數(shù)字隔離器和隔離電源消除了接地回路，并提供有效的保護(hù)，防止浪涌損壞。

圖9顯示了ADM2486單片隔離RS-485收發(fā)器。

CAN總線:CAN總線標(biāo)準(zhǔn)最初是為汽車(chē)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的，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)1mbps，最多可容納30個(gè)節(jié)點(diǎn)，最大電纜長(zhǎng)度為40米。它以幀的形式傳輸異步數(shù)據(jù)，幀由起始和停止位、仲裁字段、控制字段、循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)字段和確認(rèn)字段組成。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)監(jiān)聽(tīng)和傳輸，因此該協(xié)議的一個(gè)最重要的特點(diǎn)是它的非破壞性比特仲裁，這確保了沒(méi)有數(shù)據(jù)丟失。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在每條消息的開(kāi)頭發(fā)送一個(gè)主導(dǎo)消息起始位(SOM)。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)嘗試開(kāi)始傳輸。接下來(lái)，發(fā)送11位或29位仲裁字段。也稱(chēng)為標(biāo)識(shí)符，該字段對(duì)總線上發(fā)送的消息進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序。優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)總是控制總線，讓優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)等待。這種非破壞性的仲裁確保了最高優(yōu)先級(jí)的消息總是能夠通過(guò)。

CAN總線如圖10所示，使用平衡的2線差分接口，通常工作在3v或5v。使用非歸零(NRZ)編碼，確保具有最小數(shù)量的轉(zhuǎn)換和高抗噪性的緊湊消息。CAN總線收發(fā)器使用一對(duì)開(kāi)漏器件來(lái)創(chuàng)建CANH (V(CC) - 0.9 V)到CANL (1.5 V)的差分信號(hào)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)時(shí)，發(fā)射器產(chǎn)生主導(dǎo)信號(hào)，代表邏輯低電平。當(dāng)沒(méi)有發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，上拉電阻將總線設(shè)置為V(CC)/2，產(chǎn)生隱性信號(hào)，表示邏輯高電平。備用控制將收發(fā)器置于低功耗模式。低功耗接收器在待機(jī)模式期間保持活動(dòng)狀態(tài)，監(jiān)視總線的狀態(tài)變化，并在檢測(cè)到活動(dòng)時(shí)向控制器發(fā)送信號(hào)以激活本地節(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)，因此它們不能在收發(fā)器和電纜之間使用;相反，它們使用標(biāo)準(zhǔn)的3-V或5-V邏輯電平在收發(fā)器和本地CAN控制器之間使用。因?yàn)檩斎牒洼敵鲭娐返?span id="hgbmvkd8g7h3" class="analog-coupler" style="font-size: 14px; box-sizing: border-box;">我耦合器隔離器彼此是電隔離的，將系統(tǒng)與電纜隔離的一種簡(jiǎn)單方法是在處理器和收發(fā)器之間插入一個(gè)。為了完成隔離，使用隔離dc- dc轉(zhuǎn)換器為隔離器和收發(fā)器供電。的結(jié)合我如圖11所示，耦合器數(shù)字隔離器和隔離電源消除了接地回路，并提供了有效的保護(hù)，防止浪涌損壞。

更多關(guān)于我耦合器

數(shù)字隔離器基于我在集成度、性能、功耗、易用性和可靠性方面，耦合器技術(shù)可以與光耦合器進(jìn)行比較。我耦合器設(shè)備是獨(dú)立的，除了通常的旁路電容器外，不需要額外的組件;它們通常更快，具有更高的數(shù)據(jù)速率(到100 Mbps)和更短的傳播延遲(18 ns);它們的功耗(從5兆瓦@ 1 Mbps到22兆瓦@ 25 Mbps)是同類(lèi)光耦合器的1/70到1/5，相鄰組件的加熱可以忽略不計(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——傳播延遲基本上對(duì)溫度不敏感;而且它們的壽命更長(zhǎng)，LED不會(huì)損耗。它們具有與高質(zhì)量光耦合器相似的安全認(rèn)證。目前可用的我耦合器設(shè)備的絕緣額定電壓為2.5 kV rms(穩(wěn)態(tài)400 V rms)，未來(lái)的改進(jìn)幅度有望超過(guò)50%。

充分披露

因?yàn)椤秾?duì)話》不是一本烹飪書(shū)，這些例子基本上說(shuō)明了如何我耦合器技術(shù)可用于網(wǎng)絡(luò)通信;它們不是測(cè)試應(yīng)用程序的詳細(xì)原理圖。請(qǐng)查閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)表和任何可用的應(yīng)用說(shuō)明(見(jiàn)下文)以獲取更多信息。與往常一樣，在使用高壓電路時(shí)要格外小心。