原创 现场总线隔离解决方案

    ADuM磁隔离芯片在隔离RS232、RS485、CAN中的应用   

                                                                 作者：Scott Wayne     美国模拟器件公司

引言 

在工业过程控制、稳压电源和计算机之间点对点通信等应用中，都是采用串行通信总线在各种物理网络上传输数据，例如RS-232、RS-485和控制器局域网(CAN)总线。互连系统中的各子系统通常都有自己的电源，而且往往相距很远，所以通常都需要采用电流隔离不形成接地环路，保护系统免遭瞬态高电压损坏，而且降低了信号失真，也保护了人身安全。 

隔离 

变压器、耦合电容器、光耦合器以及本文讨论的iCoupler隔离器——都是提供电流隔离的典型方法，它们能阻断两点之间的电流，同时允许数据顺利通过(见图1)。隔离用来保护设备以防由电源浪涌或接地环路引起的高电压或电流，这在任何有多个接地通路的系统中都有可能发生。被长电缆分开的系统地线因为不是处于相等的电为，所以地电流会在这两个系统之间流动。如果不采用隔离，上述电流会引入噪声，降低测量质量，甚至毁坏系统元件。

图1、电流隔离器允许信息通过而阻止电流通过

工业环境下发生的因电机开关、静电放电(ESD)或者邻近电弧闪击通过感应方式耦合到长电缆中的电流会引起地电位的快速变化，常常会高达上百甚至上千伏特(kV)。当这种情况出现时，应将远程系统需要的逻辑电平开关信号叠加到相对于其本地的地电位的高电压上。如果没有隔离，此电压可能会破坏信号或者损坏系统。如果将连接到总线上的所有器件都参考同一地线可以保护该系统以防这种破坏性的高电压，而且隔离的器件会防止形成接地环路和电涌。

要完全地隔离系统，必须隔离所有的信号线和电源。带隔离的DC/DC变换器可以提供电源隔离，而iCoupler数字隔离器可以提供信号隔离。

iCoupler技术 (ADuM磁隔离芯片)

iCoupler隔离器是基于芯片尺寸变压器的磁耦合器(见图2)，这是与光耦合器中采用的发光二极管(LED)和光电二极管对比的不同之处。平面变压器采用CMOS金属层，顶部镀了一层金用于钝化。在镀金层下面的抗高击穿电压的聚酰亚胺层将其顶部的变压器线圈和底部线圈隔离。连接到顶部和底部线圈的高速CMOS电路为每个变压器及其外部信号之间提供接口。晶片级信号处理提供了一种在单颗芯片中集成多个隔离通道以及其它半导体功能的低成本的方法。iCoupler技术消除了与光耦合器相关的不确定的电流传送比率、非线性传送特性以及随时间漂移和随温度漂移问题；功耗降低了90％；并且无需外部驱动器或分立器件。

图2、iCoupler隔离器剖面图

变压器初级端的电路将输入逻辑跳变编码成1 ns的脉冲，然后通过变压器对它耦合；次级端电路检测这些经过耦合的脉冲并且恢复输入信号，如图3所示。输入端有一个刷新电路保证即使不存在输入跳变的情况下输出状态也能与输入状态相匹配。这对于上电状态和具有低数据速率的输入波形或恒定的直流输入情况下是很重要的。

图3、在iCoupler隔离器的输出端恢复数字输入信号

因为iCoupler产品的目的是将输入和输出隔离开，所以变压器初级端的电路和次级端的电路必须封装在分开的芯片中。变压器本身可以置于上述任何一颗芯片中——或者第三颗芯片中，如图4所示的ADuM140x。整个芯片组被组装在一个标准的塑料封装中，类似多种半导体器件所采用的封装。

图4、ADuM140x四通道隔离器结构

iCoupler器件的一个新特点是其发送通道和接收通道结合在同一封装中的能力。因为iCoupler变压器本质上是双向的，所以只要变压器的两端有适当的电路，信号就可以从任何一个方向通过。按照这种方法，就可以提供具有各种发送通道或接收通道配置的多通道隔离器。 

串行通信总线 

RS-232(EIA232)和RS(EIA/TIA485)规约只规定了物理层，从而信号协议允许由用户来定义，或者按照规定在物理层使用它们的其它标准来定义。另外，CAN总线规定了物理层和数据链路层。 

RS-232总线

RS-232总线标准是最常见的串行通信总线标准之一，最初制定于1962年，用于计算机和调制解调器之间的通信。它目前仍广泛用作系统间的通信链路，其简易、灵活性以及长期的成功使用决定了它的继续流行。它适合于点对点通信，采用两根具有接地参考信号的专用非平衡的单端线可提供全双工通信。 

  一般在高噪声数据通信、工业/电信诊断端口等方面的应用中，都要涉及到RS232隔离。而我们传统的RS232隔离一般要包括电源隔离和信号隔离两部分，如图5所示为我们用光电隔离（6N137）的常用方案。

                                                            图5  传统的RS232隔离（光隔6N137）解决方案

   而采用磁耦数字隔离器方案，则简单方便的多，我们可以直接选用ADM3251E来替代复杂的光电隔离电路，ADM3251E内部集成了DC-DC电源隔离和信号隔离。这样无论从体积上，还是性能上都优于传统的光电隔离。如图6所示：

图6、ADM3251E在实际工程中的应用

ADM3251E产品宣传页

RS-485总线

规定RS-485标准用来驱动多达32对驱动器和接收器。其通用性和驱动长4000 m电缆的能力使得它常用于各种应用，尤其是远距离的系统之间互连。小型计算机系统接口(SCSI)和PROFIBUS协议都采用RS-485标准用于通信。 

在RS-485通讯总线中，由于实际应用现场的环境十分复杂，往往存在着高电压、大电流的危害，所以隔离是十分必要的，同样我们RS-485的隔离也是由电源隔离与信号隔离两部分组成的。传统的光电隔离RS-485方案如图8所示：

而采用磁耦数字隔离器方案，则简单方便的多，我们可以直接选用ADM2483来替代复杂的光电隔离电路，ADM3251E内部集成了一个三通道的信号隔离器。这样无论从体积上，还是性能上都优于传统的光电隔离。如图9所示：

图9 磁耦数字隔离器隔离RS-485方案

ADM2483产品宣传页

CAN总线

CAN总线标准，最初是为汽车应用开发的，它规定了一种2线串行通信协议，允许高达1 Mbps的数据速率、多达30个结点和40米的最大电缆长度。

同样在CAN总线的隔离中我们以双通道数字隔离器ADUM1201来替代两个6N137，经过实际测试显示，采用磁耦数字隔离器ADUM1201的隔离方案，不仅简化了电路，省去了光隔的分立元件。而且隔离效果也远远优于光隔方案。图10为光隔与磁隔的实际效果对比图：

      图10-1 光隔（6N137）效果图                图10-2 磁隔（ADUM1201）效果图

像使用RS-232和RS-485总线一样，数字隔离器不支持CAN总线标准，所以它们不能用在收发器和电缆之间，而只能用在收发器和本地CAN控制器之间，采用3 V或5 V的逻辑电平。因为iCoupler隔离器的输入电路和输出电路彼此是电隔离的，隔离系统和电缆的一种简单的方法是将其置于处理器和收发器之间。为了完成这种隔离通常用一种带隔离的DC/DC变换器给该隔离器和收发器供电。。iCoupler数字隔离器和带隔离的电源的组合用法，如图11所示，避免了接地环路问题并且提供了有效的保护以防止浪涌破坏。

        此外，在I2C、PROFIBUS等其它各种现场总线的应用中，icoupler数字隔离器也有成熟应用案例。

关于iCoupler

基于iCoupler工艺的数字隔离器在集成度、性能、功耗、易用性和可靠性方面都要优于光耦合器。ICoupler器件是配套齐全的器件，除了常用的旁路电容以外无需外部元件；它们通常以较高的数据速率(达100 Mbps)和较短的传播延迟(18 ns)比较快速地工作；其功耗(从5 mW@1 Mbps～22 mW@25 Mbps)只有同类光耦合器的1/70～1/5，可以忽略不计对相邻元件的发热量；其使用方法与标准的数字CMOS器件一样；它们可以在较高温度下工作——传播延迟基本上不受温度影响；而且它们还具有延长的工作寿命，不存在LED的耗坏问题。它们还通过了类似高质量光耦合器的安全认证。目前可提供的iCoupler器件具有2.5 kV rms额定隔离度(稳定状态下为400 V rms)，具有提高50％以上的未来发展前景。