为恶劣的工业应用设计可靠的隔离式RS-232数据接口

工业和仪器仪表（I&I）应用的一个关键要求是通过诊断端口检查连接系统的可靠数据接口。RS-232总线标准是I&I应用中最古老，使用最广泛的物理层总线设计之一。RS-232于1962年首次推出，是一种单端数据传输标准;然而，尽管有传言说它早早消亡，但它继续在整个行业中广泛用于短电缆通信。

为了在恶劣的工业环境中实现可靠的数据通信链路，RS-232诊断端口必须在RS-232电缆网络和连接的系统之间提供隔离接口，以防止嘈杂环境中的电压尖峰和接地环路，并提高系统可靠性（图1）。RS-232通信链路的电源隔离通过使用隔离式DC-DC电源或ADI公司的isoPower集成DC-DC转换器技术来实现。RS-232通信链路的信号隔离采用光耦合器或ADI公司i耦合器技术实现。®®

图1.典型的隔离式RS-232通信链路。

如图2所示，隔离栅将RS-232总线与与其连接的每个系统电气隔离，允许数字数据在两点之间传输，但阻止接地环路电流流动;这通过消除耦合到通信电缆上的噪声来减少信号失真和错误。

图2.隔离功能。

实现隔离式RS-232接口

为了提供隔离的RS-232通信接口，两端的设备必须与连接它们的RS-232电缆隔离。要隔离数据链路，必须隔离数据信号线和驱动电缆所需的电源。来自诊断端口UART的数据需要越过隔离栅到达隔离总线侧的RS-232收发器。本地 5V/3.3V 电源也需要跨越隔离栅，为隔离总线侧的 RS-232 收发器供电。这也需要在工业PC端进行：数据和电源都需要跨越隔离栅（图3）。

通过将两个器件与RS-232电缆网络隔离，诊断端口和工业PC电路都可以防止在恶劣环境中耦合到RS-232电缆上的瞬变。由于诊断端口和工业PC侧的不同接地电位而可能发生的接地环路被隔离中断。RS-232总线上可能出现的高共模电压不允许跨越隔离栅，从而保护隔离数据的人类用户。

图3.隔离式 RS-232 接口。

隔离技术：数据和电源

图4比较了两种主要的隔离技术。我耦合器技术（图4（a））通过使用厚膜处理技术构建可实现2.5 kV隔离的微尺度片上变压器，在RS-232系统中提供信号隔离。较旧但应用广泛的光耦合器解决方案（图4（b））使用发光二极管（LED）和光电二极管。LED将电信号转换为光，光电探测器将光转换回电信号。电光转换的固有低转换效率导致相对较高的功耗，光电探测器的缓慢响应限制了其速度，老化限制了其使用寿命。

直接在芯片上制造变压器，使用晶圆级处理，允许i耦合器通道彼此之间以及与其他半导体功能之间的低成本集成。ADM3252E就是一个例子，它是一款隔离式双通道RS-232收发器，集成在单个紧凑器件中。我耦合器隔离至少在五方面克服了旧式光耦合器解决方案的限制：集成（由于i耦合器的双向操作，降低了整体解决方案尺寸和系统成本），性能更高，功耗更低，易于使用，可靠性更高。

图4.隔离技术比较。

直到最近，跨越隔离栅传输功率需要单独的DC-DC转换器，这种转换器相对较大，价格昂贵且隔离不足，或者需要定制的分立方法，既笨重又难以设计。这些方法是唯一可行的替代方案，即使在隔离式RS-232数据通信等应用中，也只需要少量的隔离电源。

为了解决这个问题，ADI公司开发并制造了一种完整的、完全集成的解决方案，该解决方案使用微变压器将信号和功率传输结合在隔离栅上。我们成熟的i耦合器技术的这种扩展，称为isoPower，是一个突破性的替代方案。单个组件内的信号和电源隔离（高达 2.5 kV）消除了对体积庞大、昂贵且难以设计的隔离电源的需求。它可以显著减少典型隔离式RS-232接口的电路板空间、设计时间和总隔离系统成本。以下各节描述了该技术适用的两种典型RS-232设计情况。

隔离式高速双通道RS-232接口

图5比较了使用分立元件的传统解决方案与完全集成的解决方案。

图5.隔离式RS-232设计进行比较。

实现完全隔离的2通道RS-232接口的传统方式（图5（a））是使用光耦合器提供RS-232链路的数据隔离。每条数据线（TIN1、TIN2、ROUT1、ROUT2）需要一个光耦合器，每个数据线都需要一个外部缓冲器。隔离式电源使用变压器驱动器 IC 驱动分立变压器，以及简单的整流电路和 LDO（低压差稳压器）来清理隔离式 5V 或 3.3V ISO V抄送轨。为了实现，这种设计需要8个IC和一些无源元件，外加大量的电路板空间。

在图5（b）所示的单芯片解决方案中，只需一个IC （ADM3252E），外加两个去耦电容和四个电荷泵电容，即可实现适用于所有四个信号的全隔离（2.5 kV）双通道RS-232接口。

ADM3252E（图6）将标准RS-232收发器与4通道i耦合器相结合，为RS-232数据信号提供信号隔离。它还集成了 iso电源技术，以提供片上电源隔离。ADM3252E通过结合i耦合器和iso电源隔离技术集成RS-232收发器，能够在单个封装（12 mm×12 mm）中提供具有2.5 kV rms隔离的完全隔离RS-232接口，仅需6个外部电容。

图6.ADM3252E隔离式双通道RS-232收发器。

这种单芯片解决方案显著缩短了隔离式RS-232接口所需的设计时间和电路板空间。由于PCB上放置的元件数量大大减少，因此可靠性得到增强并降低了成本，从而降低了制造成本并提高了可靠性。此外，ADM3252E无需任何修改即可用于5 V或3.3 V应用，避免了分立式设计所需的设计更改。

isoPower 技术在 44 BGA 封装内直接在片上提供 2.5kV 电源隔离，无需传统解决方案中使用的昂贵分立变压器。此外，i耦合器技术提供信号（数据）隔离，无需四个分立光耦合器通道。

静电防护

由于RS-232电缆由用户物理连接和断开，因此RS-232发射（Tx）和接收（Rx）引脚（TxD1，TxD2，RxD1，RxD2）的ESD（静电放电）保护非常重要，以确保坚固可靠的接口。ADM3252E在RINx和TOUTx引脚上的ESD保护符合IEC 1000-4-2 （801.2），如下所示：

接触放电：±8 kV

气隙放电：±15 kV

瞬态保护

为了使隔离式RS-232收发器能够在工业应用中非常恶劣的工作条件下工作，隔离技术（i耦合器和iso电源）具有高（>25 kV/μs）共模瞬态抗扰度，这是在保持规范合规性的同时可以维持的共模电压（逻辑侧和总线侧之间的电位差）的最大压摆率。瞬态幅度是共模电压压摆的范围。共模电压压摆率适用于共模边沿的上升和下降。该规范确保在恶劣环境中耦合到RS-232电缆上的任何瞬变都不会损坏RS-232收发器或导致错误数据通信，从而实现非常高的可靠性数据链路。

2.5kV 隔离保护和认证

隔离式收发器的额定隔离电压为器件逻辑侧和总线侧之间的 2.5kV 隔离。此隔离额定值可确保没有电流流入或流出逻辑侧到RS-232电缆上。它还确保耦合到RS-232电缆上的电压或瞬变不允许到达逻辑侧。2.5kV 隔离保护还意味着逻辑侧用户可以免受 RS-232 电缆上可能出现的高电压或瞬变的影响。ADM3252E的2.5 kV隔离额定值正在等待以下机构的批准：美国保险商实验室（UL）、德国电气技术公司（VDE）和加拿大标准协会（CSA）。UL 1577认证要求所有ADM3252E器件（与光耦合器一样）的隔离栅必须经过100%的生产测试：

UL认可

2500 V rms，持续一分钟，符合 UL 1577 标准

VDE合格证书

IEC 60747-5-2（VDE 0884，第 2 部分）

VIORM = 560 V 峰值

CSA 组件验收通知#5A

ADM3252E规格参数

ADM3252E是2通道、高速、完全隔离（数据和电源）RS-232收发器，非常适合在电气恶劣的环境中工作，或者RS-232电缆经常插入和拔出。该器件集成了四个独立的i耦合器数字隔离通道（两个发射通道，两个接收通道）和一个isoPower芯片级DC-DC转换器，提供2.5 kV rms隔离、25kV/μs瞬态抗扰度和±15kV ESD保护。它以高达 460 kbps 的数据速率进行通信，符合 TIA/EIA-232E 规范。片内倍压器和逆变器可实现单电源供电。ADM3252E采用3.0 V至5.5 V单电源供电，空载时功耗为20 mA。该器件采用 12mm × 12mm 44 引脚 CSP BGA 封装，额定温度范围为 –40°C 至 +85°C，千 1000 秒售价为 8.49 美元。

印刷电路板布局

隔离式收发器的PCB布局对于确保在实际设计中实现指定的2.5 kV隔离至关重要。主要考虑因素是爬电距离（两个导体之间沿表面的最短距离）和逻辑侧GND和总线侧GND之间的间隙（通过空气的最短距离）。ADM3252E的逻辑接口无需外部电路。输入和输出电源引脚需要电源旁路（图 7）。有关控制辐射发射（EMI）的PCB布局和结构指南的更多信息，请参见AN-0971应用笔记，使用isoPower器件控制辐射发射的建议。

图7.ADM3252E推荐的印刷电路板布局。

隔离式高速单通道RS-232接口

对于仅需要一个通道（1 Tx、1 Rx）、5 V隔离RS-232接口的收发器应用，ADM3251E提供采用20引脚宽体SOIC的单芯片解决方案。ADM3251E收发器集成了i耦合器和iso电源隔离技术;它是首款具有数据线和电源完全隔离功能的表面贴装RS-232收发器。该器件的隔离额定值为 2.5kV，符合行业标准隔离要求（UL1577 和 DIN VDE 0884-10）。这可确保其满足嘈杂操作环境所需的鲁棒性水平，例如工业自动化和控制应用中的隔离式RS-232诊断数据端口。与传统 IC 相比，SMT 封装可减少 45% 的电路板空间，并有助于加快制造过程并降低系统开发成本（图 8）。

图8.单通道RS232收发器应用。（a） ADM3251E规格。（b） 遗留办法。（c） i耦合器+iso电源方法。

结论

当今工业和仪器仪表应用中的RS-232接口链路需要小巧、坚固、廉价且隔离。通过将芯片级变压器隔离与标准RS-232接口收发器集成，可以提供单芯片、完全隔离的RS-232收发器（包括隔离电源）来提供这些优势。双通道ADM3252E和单通道ADM3251E显著缩短了设计时间，为这些要求苛刻的应用提供了紧凑、可靠、低成本、高性能的解决方案。

审核编辑：郭婷