使用集成数字隔离器保护工业通信网络
作者：Steven Keeping/Digi-Key

可靠的工业通信对于工厂顺利运行和工业物联网 (IIoT) 原理的有效应用至关重要。这种通信大多是通过能够进行多点通信链路和远距离数据传输的本地网络实现的。这种通讯采用成熟技术，如 RS-422/RS-485 接口，支持 Profibus、Interbus 或 Modbus 等更高级别的协议。不过，这些网络还是很容易中断的。

例如，对连接到工业网络的机柜进行静电放电 (ESD) 会使系统的共模电压超过 20 V，远超 RS-422/RS-485 标准规定的 12 V 最大工作电压。即使是特别坚固耐用的 RS-422/RS-485 收发器，暴露在如此高的电压峰值下时也可能造成数据损坏或彻底损坏。工程师通过将敏感的收发器与信号、电源电压尖峰隔离，就能够减少这些风险。然而，在使用变压器或光耦合器的传统隔离技术时需要进行权衡，具体包括解决方案的尺寸、成本和复杂性增大、吞吐量受限。

一种基于芯片级变压器的数字隔离式新方法使 RS-422/RS-485 收发器成为可能，这种方法将隔离式 DC-DC 稳压器和三通道信号隔离器都集成在一个芯片上。使用这种器件，工程师能够构建更紧凑、更简单、更便宜的数字隔离式工业通信系统。

本文讨论隔离问题及其不同的解决方案。然后，介绍能实现更高数字隔离技术集成度的平面变压器的发展情况。以实际器件为例，文章介绍 Analog Devices 的两种高集成度隔离式 RS-422/RS-485 收发器解决方案以及其用法。

电源和信号的传统隔离方法

传统系统中的电源隔离通常要通过变压器实现（图 1），但这种技术的确存在一些缺点，具体包括：

• 与非隔离电源中使用的等效电感相比，变压器通常价格更高、体积更大，因此使得隔离器件的结构不太紧凑且成本较高。
  
• 变压器的效率比电感低。
  
• 由于这种隔离栅阻止直接检测和严格控制电源输出，因此其调节和瞬态性能不如非隔离器件。
  
• 小型非隔离式 DC-DC 转换器可以靠近负载放置，减少传输线路的影响并提升效率。
  
• 由于变压器通常是定制器件，因此没有两个设备能提供完全相同的输出。
  

实现隔离信号隔离栅的传统方法是使用光耦合器。最基本的光耦合器包括一个 LED、一个光电晶体管，封并装在密闭封装内，但也有其他版本。LED 的点亮和熄灭代表数字信息，而光电晶体管——一种双极性光敏器件——通过改变其发射极和集电极之间的电流来做出响应。

使用光耦进行信号隔离简单有效，但也有一些缺点。具体包括：

• LED 的功率要求比较高，只要输入信号高，光耦的 LED 就必须亮。这可能造成低效率。
  
• 光电耦合器经常因 LED 故障而无预警地停止工作。
  
• 传播延迟限制了吞吐量。
  
• 由于光耦合器的输入和输出非逻辑门驱动，因此该器件与数字系统其余部分之间的连接比较复杂。
  
• 将多个光耦通道集成到一个封装中是很困难的。
  

除了这些挑战外，传统的隔离还需要单独的电源和信号隔离组件，因为笨重的变压器不适合与光耦合器集成在同一设备上。

缩小数字隔离器件

数字隔离就是传统隔离所面临挑战的克星，因为数字隔离不会使用吞吐量有限且昂贵、笨重的变压器和光耦。数字隔离技术将长寿命和高吞吐量集于一体，提供了一种功耗更低、外形更紧凑的解决方案。

然而，数字隔离技术往往会增加成本和复杂性，因为其组件相对昂贵，而且为了满足隔离标准，需要采用独立的器件来隔离电源和信号（除了网络收发器外）。

不过最近在技术、材料和小型化方面的进步使得集成度和隔离性能达到了更高的水平，因此现在已经不再需要外部 DC-DC 隔离块。这类数字隔离解决方案降低了成本、复杂性和空间要求。

增强型数字隔离技术器件的例子有 Analog Devices 的 iCoupler 和 isoPower 数字信号和电源隔离技术。isoPower 采用带有隔离式脉宽调制 (PWM) 反馈的二次侧控制器架构。向振荡电路供电并由该电路将电流切换至芯片级平面变压器中，再将电源传输至二次侧，然后进行整流并稳压至 3.3 V（图 2）。

反馈环路使用隔离数据通道对振荡器电路进行调制，以控制传输到二次侧的功率。通过增加反馈，可以实现更高的功率，而且效率和稳压能力同时也得到了显著提高。芯片级变压器具有卓越的共模瞬态抗扰度，最高可达 100 千伏/微秒 (kV/μs)。

iCoupler 还采用了芯片级变压器绕组，以磁性方式耦合数字信号。相比光耦，这类型数字隔离技术的功耗降低了一个数量级。该技术基于将输入信号的上升沿和下降沿编码为驱动初级绕组的双电流或单电流脉冲。这又会产生一个在次级绕组中感应出电流的局部小磁场。电流脉冲的持续时间约为 1 纳秒 (ns)，所以平均电流不大。脉冲解码后，返回至二次侧的上升/下降边缘（图 3）。

隔离式工业网络解决方案

在单芯片上集成了 iCoupler 和 isoPower 信号和电源隔离器件的商用收发器现已上市。Analog Devices 的数字隔离式 ADM2682EBRIZ 和 ADM2687EBRIZ RS-422/RS-485 收发器提供了一种紧凑、简单、实惠的低功耗数字隔离式解决方案。

ADM2682EBRIZ 的数据速率为每秒 16 兆比特 (Mb/s)，而 ADM2687EBRIZ 可以管理每秒 500 千比特 (kb/s)。该器件是全集成 5千伏 (kV)rms 信号和电源隔离式数据收发器，具有 ±15kV ESD 保护功能，适用于多点工业系统的高速通信。该收发器包括一个集成 5 kVrms 隔离式 DC-DC 电源，因此无需外部 DC-DC 稳压器。

每个芯片中都集成了一个三通道隔离器、一个三态差分线路驱动器、一个差分输入接收器和一个隔离式 DC-DC 转换器（图 4）。ADM2682EBRIZ 和 ADM2687EBRIZ 采用 3.3 V 或 5 V 电源供电。具体功能包括限流和热关断，用于防止输出短路和总线争用可能导致过多功率耗散的情况。这些器件的指定工作温度范围为 -40˚C 至 +85˚C 工业温度范围。

这些 RS-422/RS-485 收发器获得了 UL1577 标准认证，该标准是关于光学、容性和感性隔离器的规范。该规范要求在控制器地线和 RS-422/RS-485 信号线之间提供长达 1 分钟、高达 5kV 的保护和绝缘电压，以及每微秒 25kV (kV/μs) 的瞬态抗扰度。

管理数字隔离器件的 EMI

虽然数字式隔离器件克服了传统隔离器件的设计挑战，但自身也面临一个关键挑战；该技术对振荡器电路、电流脉冲的使用会增大发生电磁干扰 (EMI) 的几率。

例如，Analog Devices 的隔离电源技术采用振荡器电路，以 180 - 300 兆赫 (MHz) 的频率将电流切换到变压器中。二次侧的整流电路在整流过程中会将此频率提高一倍。由此产生的工作频率会比标准 DC-DC 转换器高三个数量级，而且该器件在 30 MHz 至 1 千兆赫 (GHz) 范围内产生的噪声会导致不确定的 EMI。

在使用 iCoupler 和 isoPower 的 RS-422/RS-485 收发器的四层 PC 板中，有两个潜在 EMI 来源：边缘发射和输入输出偶极发射。边缘发射是在许多源发出的差分噪声与板边缘相遇的地方产生的，从平面到平面的空间内泄漏而出，这种空间起波导的作用。输入到输出偶极辐射是通过驱动电流源穿过地平面之间的间隙产生的——这正是隔离电源的功能（图 5）。

设计者可以使用以下技术来减少这种排放：

• 输入到输出地平面拼接电容
  
• 负载控制
  
• 边缘防护
  
• 板间电容旁路
  

通过将拼接电容器放置在穿过 PC 板接地平面中任何列缝的信号附近，设计人员消除了 PC 板导电平面之间可能产生电噪声的任何电流和电压差。形成拼接电容的技术有三种：在隔离栅上增加一个安全级电容器；在内层的隔离和非隔离侧之间的间隙上横跨一个金属浮动平面，或者将内层的地平面和电源平面延伸到 PC 板的隔离间隙中形成一个电容器。

通过在尽可能轻的负载下操作 isoPower 器件来降低 EMI 发生率。轻负载会缩短振荡器导通时间，从而降低器件产生的噪声。

在 PC 板上使用固体导电边缘处理进行边缘防护是可行的，但价格昂贵。采用护圈结构将电路板边缘通过过孔系在一起处理，是一种效果很好、更经济实惠的边缘保护解决方案。制作边缘防护的目的有两个。首先是将来自过孔的圆柱形发射反射回平面形成的空间内，以阻止其从边缘逸出。二是屏蔽任何由于噪声或大电流而在内平面上流动的边缘电流。

板间电容旁路是一种技术，旨在通过改善高频下的旁路完整性来减少电路板的传导和辐射。可以通过使用一个薄磁芯层来实现电源和地平面。这些紧密耦合的平面形成了一个板间电容层，可以补充任何板上安装的旁路电容器。

评估隔离式工业通信系统

Analog Devices 提供 ADM2682EBRIZ 和 ADM2687EBRIZ RS-422/RS-485 收发器评估板。具体来说，就是用于 ADM2682E 的 EVAL-ADM2682EEBZ 评估板和用于 ADM2687E 的 EVAL-ADM2687EEBZ 评估板。

这些板子可以用来方便地评估信号和电源隔离式 RS-422/RS-485 收发器。螺纹端子块方便电源和信号连接，评估板可通过跳线器轻松配置。

评估板可用于半双工或全双工配置。接收器输入端安装了一个 120 欧姆 (Ω) 端接电阻器 (RT)。驱动器和接收器通过跳线连接启用或禁用。隔离栅两侧的电源线和信号线上都含有测试点。LK1-4 链路可以重新配置，以启用或禁用功能，或将输入和输出从测试点切换到端子块。当 LK5 和 LK6 链路都连接时，评估板配置为半双工模式；两者都打开时，板子配置为全双工模式（图 6）。

有了评估板，设计者不仅能够测试基于ADM2682EBRIZ 和 ADM2687EBRIZ RS-422/RS-485 收发器的工业通信系统，还能够按照上述技术进行设计，以减少用于通过收发器传输信号和电源的高频开关器件产生的 EMI。

图 7 所示为 ADM2682E/2587E 的全双工电路。总线上最多可以连接 256 个收发器。RT 的放置取决于节点的位置和网络配置。一般来说，为了尽量减少反射，应在接收端以其特性阻抗端接线路，并尽量减少柱头长度。

对于半双工模式，线路的两端必须端接，因为任何一端都可以作为接收端。

结语

工业通信系统面临信号和电源电压尖峰的风险。工程师可以使用数字隔离技术来消除这些风险，但在用含有离散隔离组件的传统解决方案时，需要在成本、复杂性和所需空间之间进行取舍。

如图所示，推动平面变压器最新技术的新方法已经实现了在收发器上集成数字隔离器件，例如 RS-422/RS-485 网络收发器，既降低了成本又减少了空间。