集成i耦合器数字隔离与ISO电源弥合了USB和传统工业接口之间的差距

作为与外围设备串行通信的标准，USB如今无处不在。然而，在许多情况下，工业设备仍然依赖于旧标准的RS-232进行调试或主从连接。为了通过差分通信增加鲁棒性，RS-422或RS-485也被广泛使用，RS-485仍然是各种有线多节点工业网络或现场总线协议使用的物理层标准。因此，用于调试或监视的工具（例如只有用于串行通信的 USB 的笔记本电脑）上的可用接口与可能仅公开 RS-232、RS-422 或 RS-485 接口的工业设备之间可能存在不匹配。

除了任何USB到UART转换所需的硬件接口外，电气隔离是测试或监控设备之间的任何接口电路以及在电气恶劣环境中可能活跃使用的工业设备的功能和潜在安全要求。ADI公司的接口i耦合器和iso电源隔离技术的组合，集成在各种IC中，为弥合USB和传统工业接口之间的差距提供了简单的解决方案。

为什么使用电流隔离？

与工业设备接口时，避免干扰这些系统的运行至关重要。电流隔离可防止任何电流流动，同时允许数据传输，从而保护被测单元和调试单元。连接调试控制台（如笔记本电脑）时，有几个明显的危险，如图 1 所示。

图1.潜在的电气危险。

如果调试设备接地，接地电位的差异会导致环路电流

如果调试设备未接地，静电会排放到被测单元中

由于电机和继电器的开关噪声，现场总线网络上可能会出现危险电压

某些基本的诊断设备（如笔记本电脑）可能没有与工业设备相同的严格接口保护级别。

在USB到UART接口中，有两种可能性：可以隔离USB接口或隔离UART接口（RS-232，RS-485和RS-422）。理论上，两者都可以隔离，以保护接口模块本身不受任何设备的影响，或者提供与串联的两个基本隔离接口的安全隔离。

使用i耦合器数字隔离器进行隔离

与光耦合器相比，采用i耦合器技术的数字隔离器具有高水平的电流隔离鲁棒性，具有更高的可靠性和更低的功耗要求。与非隔离解决方案相比，其他IC功能（如收发器）可以集成到单芯片解决方案中，需要稍微增加PCB面积。这对于隔离RS-232或RS-485接口特别有利，在这些接口中，已经需要IC以适当的电压发送和接收。

对于USB，两个信号D+和D−需要透明隔离或具有自定义软件驱动程序，以免干扰USB握手协议。使用USB数字隔离器（如ADuM3160）可在宽体SOIC封装中实现这一点。隔离器的一侧通过USB电缆提供电源，因此隔离侧也应提供类似的电源。ADuM5000在单个宽体SOIC中提供隔离电源，采用集成isoPower芯片级变压器实现隔离电源。如果需要额外的功率水平，可以使用外部变压器和整流器，这需要变压器驱动器和次级稳压器，它们组合在ADuM3070中。

为了隔离RS-232，需要隔离发送（Tx）和接收（Rx）信号以及一些控制信号（RTS和CTS）。但是，除了UART的TTL接口外，还需要RS-232收发器将这些信号转换为RS-232电压电平。还需要一个隔离电源为隔离器的收发器和收发器侧供电。如图2所示，ADM3252E集成了所有三个组件（信号隔离、收发器和隔离电源），从而形成单个BGA占板面积，以提供完整的隔离式RS-232接口。

图2.ADM3252E原理框图

RS-485还需要一个收发器与2线总线（A和B）或4线总线（A、B、Y和Z）接口。要隔离的信号包括发射 （TxD）、接收 （RxD）、驱动器使能 （DE） 和接收器使能 （RE）。

与RS-232解决方案类似，ADM2587E提供完全隔离的RS-485接口，如图3所示，包括为器件收发器侧供电所需的集成isoPowerDC-DC转换器。收发器也可用于RS-422通信。

图3.ADM2587E原理框图

隔离式USB转工业串行接口选项

为了与工业设备上的串行端口接口，RS-232、RS-422或RS-485收发器必须与USB转UART芯片（如FTDI FT2232H）结合使用。隔离可以在多个串行接口上单独提供，例如，使用ADM3252E的RS-232端口和使用ADM2587E的RS-485端口，两者都托管在同一USB连接上。这样做的优点是将两个端口彼此隔离，从而减少了连接到两个工业设备时的潜在危险。此外，无需单独的隔离电源，因为接口侧电源在ADM3252E和ADM2587E中均采用isoPower技术在内部生成。

或者，可以使用ADuM3160或ADuM4160 USB隔离器轻松地将隔离定位在单个点上。这意味着可以使用标准串行接口IC。但是，这些端口不是单独隔离的，需要隔离电源解决方案（如ADuM3070）为USB至UART芯片、收发器和USB隔离器的下游侧供电。

这两种方法都在参考电路CN-0373的单个板上演示，如图4所示。它结合了ADuM3160隔离USB接口，ADuM3070为电路板（包括USB转UART芯片）提供隔离电源，ADM3252E/ADM2587E分别隔离RS-232、RS-422和RS-485接口。

图4.USB 到 UART。

结论

电流隔离是工业环境中设备接口的重要组成部分。采用i耦合器技术的数字隔离器允许将其与访问工业串行接口所需的IC集成，并允许USB接口的透明隔离。这允许为工业应用提供完全隔离的USB到串行实现。为了说明此应用的可能隔离解决方案，ADI公司提供了电路笔记CN-0373：隔离式USB转隔离式RS-485/隔离式RS-232接口。这在USB接口以及RS-232和RS-485端口上完全隔离了USB到UART芯片，从而可以全面测试和演示所提供的鲁棒性。

审核编辑：郭婷