解析基于iCoupler技術(shù)的全集成式RS-485系統(tǒng)隔離解決方案

作為大家熟悉的一種長距離串行通信總線技術(shù)，RS-485大量出現(xiàn)在地鐵等公共交通環(huán)境中，包括車站門禁系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、智能低壓配電系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)(PIS)等應(yīng)用，都會看到它們的身影。事實上，RS-485總線網(wǎng)由于采用雙絞線作為傳輸線，一般在室外架空或沿電纜溝鋪設(shè)，所以在雷雨季節(jié)常因雷電在傳輸線上引起瞬變干擾而損壞器件。再者，由于RS-485的網(wǎng)絡(luò)拓撲一般采用終端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，即通常采用一條總線將各個節(jié)點串聯(lián)起來，不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò)，因此雷電引發(fā)的瞬變往往導(dǎo)致傳輸線上的多個RS-485收發(fā)器損壞。

此外，由于RS-485網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)距離長，而且連接多種系統(tǒng)，因此特別容易受到失控電壓和電流所帶來的負面影響。當(dāng)這類現(xiàn)象發(fā)生時，遠端系統(tǒng)期望獲得的邏輯電平開關(guān)信號，就會被迭加在一個參考其本地地電位的高電壓之上。為了防范此類潛在性的破壞，除了在設(shè)計的時候要將總線上的所有設(shè)備和連接至總線的系統(tǒng)參考同一地電位外，還必需將RS-485系統(tǒng)器件與連接至總線的各個系統(tǒng)隔離，從而防止接地環(huán)路和電涌損壞電路。

為了實現(xiàn)RS-485的系統(tǒng)隔離，必須對RS-485的信號線路和電源進行隔離。通常情況下，電源隔離采用隔離DC-DC電源實現(xiàn)，而信號隔離通常則會使用到目前常見的三種隔離技術(shù)：光電隔離、變壓器隔離以及電容隔離。三種技術(shù)各有其優(yōu)缺點，但是一直以來，光耦合器和變壓器技術(shù)最為常用。

用磁耦隔離替代光電隔離

光電耦合器是光電隔離的一種形式，作為傳統(tǒng)的隔離器件，其影響力最為深遠。光電隔離的主要優(yōu)勢是應(yīng)用廣泛，因此整個電路比較成熟，成本低。但是我們也可以看到，采用光電隔離方法通常需要三極管與電阻等分立元件共同使用才能完成其功能，整個電路體積大，集成度不高，而且光電耦合器件本身的易損耗、速度較慢、耗電量大，特別是在溫度和老化變化過程中的性能極不穩(wěn)定性，為其應(yīng)用帶來局限。

為了克服光電隔離技術(shù)的諸多缺點，我們在進行RS-485系統(tǒng)隔離設(shè)計的時候，還可以選擇市面上諸多的數(shù)字隔離解決方案，例如ADI基于其專有iCoupler磁耦隔離技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離產(chǎn)品，例如ADuM131x、ADuM141x等，來替代CPU與RS-485收發(fā)器之間的光耦部分，其他電路部分保持不變。

圖1：iCoupler變壓器剖面圖。

iCoupler技術(shù)是基于芯片尺寸的變壓器，每個iCoupler通道都由兩部分組成：CMOS接口電路和芯片級的變壓器。而iCoupler隔離變壓器的核心，正是這個能夠穿越隔離阻障并發(fā)射與接收信號的平面變壓器，它們不僅能夠提供隔離，而且消除了光耦合器中光電轉(zhuǎn)換的缺點，包括功耗過大、較大的時序誤差和數(shù)據(jù)速率受限等。事實上，由于無需驅(qū)動LED的外部電路，iCoupler數(shù)字隔離器功耗僅為光電耦合器的1/10～1/50。

iCoupler隔離變壓器可實現(xiàn)數(shù)千伏的隔離，其高耐壓的關(guān)鍵性，在于發(fā)送和接受變壓器的頂層和底層線圈之間，采用厚達20微米的聚酰亞胺材料作為隔離層，見圖1。

為了跨越隔離層傳輸數(shù)字信號，iCoupler把輸入信號編碼成1ns的脈沖序列，兩個連續(xù)脈沖表示一個上升沿，單個脈沖表示下降沿。接收器電路對這些脈沖進行解碼，并在副邊重新產(chǎn)生上升沿和下降沿。為確保數(shù)據(jù)完整性和抑制噪聲，大多數(shù)iCoupler產(chǎn)品集成輸入抗干擾濾波器，輸入端刷新電路，保證直流信號的正確傳輸。當(dāng)接收器沒有檢測到刷新信號時，接收端的看門狗電路將被觸發(fā)，確保輸出處于防故障保護狀態(tài)。

圖2：基于ADuM1301數(shù)字隔離器和DC-DC隔離電源的RS-485收發(fā)器解決方案。

圖2所示即為采用ADuM1301數(shù)字隔離器和DC-DC隔離電源的RS-485收發(fā)器解決方案。很明顯，采用該方案在一定程度上提高了電路的集成度，并且隔離性能也較光耦隔離有了很大的提升，但是我們也可以看到，該解決方案仍然需要雙電源供電。

為了增強電路集成度，使隔離更為徹底，ADI還推出了集成DC-DC隔離電源的數(shù)字隔離器系列，即采用isoPower的數(shù)字隔離器系列。ADI的isoPower技術(shù)將DC/DC轉(zhuǎn)換器的所有元素，振蕩器、整流器、變壓器驅(qū)動和線性穩(wěn)壓器或PWM反饋集成于一體。其中，功率傳輸變壓采用較大尺寸的片上變壓器，而為了實現(xiàn)較高功率傳輸效率，振蕩器的振蕩頻率高達180MHz，遠高于傳統(tǒng)DC/DC變換器的振蕩頻率。isoPower技術(shù)的實現(xiàn)，使用戶在使用中只提供一側(cè)電源即可。

對于上述的應(yīng)用案例，我們可以選用ADI isoPower系列中的ADuM5401產(chǎn)品來替代DC-DC隔離電源和三個光耦，從而使PCB空間更加緊湊。

完全集成式iCoupler解決方案

隔離器件的選擇主要有兩個要求，第一是系統(tǒng)性能要求；第二，就需要考慮空間限制和成本等因素。上面提到的集成DC-DC隔離電源的數(shù)字隔離器雖然已經(jīng)能夠滿足大部分的應(yīng)用要求，但是對于空間限制更為嚴苛的系統(tǒng)，這樣的解決方案仍然有些力不從心。如果設(shè)計工程師仍然面對這種設(shè)計挑戰(zhàn)，他們可以選擇ADI最新推出的ADM2682E/ ADM2687E，該器件適合于電力、馬達、能源控制系統(tǒng)的高壓電環(huán)境中。

ADM2682E/ ADM2687E是ADI最新推出的首款單芯片5KV RMS信號和電源隔離RS-485收發(fā)器，可配置為全雙工或半雙工。新產(chǎn)品包括1個3通道隔離器、1個帶三態(tài)輸出的差分線路驅(qū)動器和1個基于ADI isoPower隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)的差分輸入接收器。接收器輸入阻抗允許多達256個收發(fā)器接入總線，ADM2682E的最高傳輸速率可達16 Mbps。邏輯端兼容3 V／5 V工作電源，總線端5 V供電。RS-485收發(fā)器的電氣隔離數(shù)據(jù)為1分鐘5000VRMS，符合UL 1577認證要求。

ADM2682E/ ADM2687E驅(qū)動器是高電位激活，也可以提供低電位激活，只要在不激活狀態(tài)使接收器輸出端進入高阻態(tài)即可。該接收器具有短路電流限制和熱關(guān)斷特性，以此來保護輸出端短路和由總線爭用引起的額外功耗。該芯片采用16引腳的寬體SOIC封裝，額定溫度范圍為-40℃至+85℃工業(yè)溫度范圍，在該范圍內(nèi)無需任何分立元件就可實現(xiàn)RS-485功能。目前，ADM2682E和ADM2687E驅(qū)動器的隔離標(biāo)準(zhǔn)安全和法規(guī)認證正在進行中，包括UL(美國保險商實驗所)、CSA(加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會)和VDE(德國電氣工程師協(xié)會)認證。

圖3：基于ADM2682E/ ADM2687E全雙工RS-485節(jié)點的電路框架圖。

圖3是ADM2682E/ ADM2687E針對全雙工RS485節(jié)點的電路框架圖。與分立式競爭產(chǎn)品相比，新款收發(fā)器的器件數(shù)量最多可減少80%。器件采用單個10 mm x 13 mm表貼封裝，最小爬電距離和電氣間隙大于8 mm，占用的電路板面積比通常所用的多個分立器件少70%。

ADM2682E/ ADM2687E全集成式特性還包括內(nèi)部集成了熱關(guān)斷電路以保護器件在故障狀況下產(chǎn)生大量的熱量。在滿負載條件下，ADM2682E/ ADM2687E的功耗大約為650mW。為保證ADM2682E/ ADM2687E應(yīng)用系統(tǒng)的安全性，熱關(guān)斷電路將驅(qū)動器的輸出短接到低阻抗源可以獲得高的驅(qū)動器電流。熱感應(yīng)電路檢測在這個條件下的硅片溫升，當(dāng)硅片溫度達到150℃度時禁止驅(qū)動器輸出，直到器件冷卻到140℃在再重新啟動。隔離器不可能采用散熱片，因此為保證器件穩(wěn)定安全運行，其散熱主要依賴于通過GND管腳到PCB的覆銅進行散熱。

本文小結(jié)：

iCoupler技術(shù)一直引領(lǐng)全球隔離技術(shù)的發(fā)展，提供了隔離與創(chuàng)新特性，采用單封裝，是業(yè)界種類最齊全的隔離器產(chǎn)品，包括標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器、采用isoPower的數(shù)字隔離器、集成PWM控制器和變壓器驅(qū)動器的數(shù)字隔離器、USB 2.0兼容型隔離器、隔離式門驅(qū)動器、隔離式I2C數(shù)字隔離器、隔離式RS-485收發(fā)器、隔離式RS-232器件和隔離式Σ-?型ADC。因此，幾乎任何應(yīng)用都可以找到合適的iCoupler產(chǎn)品來滿足您的設(shè)計需求。

今年年初，ADI為西門子航空航天業(yè)務(wù)集團的PowerSCOE系統(tǒng)提供了其高度集成的iCoupler數(shù)字隔離解決方案。作為一個先進的衛(wèi)星電源保護系統(tǒng)，當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)異常時，它能在幾微秒內(nèi)關(guān)閉衛(wèi)星中的數(shù)千瓦電源。西門子航空航天業(yè)務(wù)集團設(shè)計該系統(tǒng)時還考慮到其它技術(shù)，如智能電網(wǎng)電力監(jiān)控等，但由于每個通道都包含輔助模擬輸入及數(shù)字和模擬輸出，因此最大的挑戰(zhàn)是要確保100個通道彼此隔離。PCB上有100多路模擬和數(shù)字I/O，面對如此高的PCB密度，傳統(tǒng)的光耦合器和DC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案已無能為力。最終ADI高度集成的iCoupler數(shù)字隔離器卓越的性能表現(xiàn)獲得西門子的信賴，再次驗證了iCoupler技術(shù)的領(lǐng)先優(yōu)勢。