RS-232，RS-485和CAN总线有了新的“守护神”：数字隔离器

 

　　在工业过程控制，电源调节和计算机之间的点对点通信等应用中，串行通信总线通过各种物理网络传输数据，如RS-232 ，RS-485和控制器区域网（CAN）。每个互连系统通常都有自己的电源，系统通常需要长距离分离，因此通常需要电流隔离来打破接地回路，保护系统免受高压瞬变的影响，并减少信号失真至于物理安全。

　　隔离

　　变压器，耦合电容，光耦合器 - 现在， i 耦合器 - 是提供电流隔离的典型方法，它可以阻止来自两点之间流动的电流，同时允许数据畅通无阻（图1）。隔离用于防止由线路浪涌或接地回路引起的高电压或电流，这可能发生在具有多个接地路径的任何系统中。由长电缆隔开的系统接地不会处于相同的电位，因此接地电流将在两个系统之间流动。如果没有隔离，这种电流可能会引入噪声，降低测量结果，甚至会破坏系统组件。

　　

　　通过电机开关 on 《电感耦合到工业环境中的长电缆中的电流《 / em》和 off ，静电放电（ESD）或附近的雷击可能导致地电位的快速变化，通常可达数百或数千伏。当发生这种情况时，远程系统预期的逻辑电平转换信号将叠加在相对于其本地接地的高电压上。如果没有隔离，此电压可能会破坏信号或损坏系统。将连接到总线的所有设备引入单个接地将保护系统免受这种破坏性能量的影响，隔离设备将防止接地回路和电涌。

　　要完全隔离系统，必须隔离所有信号线和电源。隔离式DC-DC转换器可提供电源隔离，而 i 耦合器数字隔离器提供信号隔离。

　　i 耦合器技术《 / h3》

　　i 耦合器隔离器是基于芯片级变压器的磁耦合器（图2），与光耦合器中使用的LED和光电二极管相比。平面变压器使用CMOS金属层，以及放置在钝化层顶部的金层。金层下面的高击穿聚酰亚胺层使顶部变压器线圈与底部绝缘。连接到顶部和底部线圈的高速CMOS电路提供每个变压器与其外部信号之间的接口。晶圆级处理提供了一种在单个封装中集成多个隔离通道以及其他半导体功能的低成本方法。 i 耦合器技术消除了不确定的电流传输比，非线性传递函数以及与光耦合器相关的漂移（随时间和温度）;降低功耗高达90％;并且不需要外部驱动器或分立器件。

　　

　　变压器初级侧的电路将输入逻辑转换编码为1 ns脉冲，然后通过变压器耦合;次级侧的电路检测它们并重新创建输入信号，如图3所示。输入侧的刷新电路确保输出状态与输入状态相匹配如果没有输入转换。这对于上电情况以及低数据速率或恒定直流输入的输入波形非常重要。

　　

　　因为 i 耦合器产品的目的是将输入与输出隔离，所以变压器一侧的电路必须包含在与电路上的电路不同的芯片上。变形金刚的第二面。变压器本身可以放置在芯片上或第三个芯片上，如图4所示的ADuM140x。整个芯片组组装在标准塑料封装内，类似于用于各种半导体器件的封装。

　　

　　i 耦合器设备的一个新功能是它们能够在同一个包中同时结合传输和接收通道。 i 耦合器变压器本质上是双向的，因此只要变压器的每一侧都有适当的电路，信号就可以向任一方向传递。通过这种方式，多通道隔离器提供各种发送/接收通道配置。

　　串行通信总线

　　RS-232（EIA232）和RS-485（EIA / TIA485）规范仅定义物理层，允许信号协议由用户定义，或者由指定其在物理层中使用的其他标准定义。另一方面，CAN总线定义了物理层和数据链路层。

　　RS-232： RS-232总线标准是最受欢迎的串行通信总线之一，最初于1962年指定用于计算机和调制解调器之间的通信。它仍然被广泛用作系统间通信链路，其简单性，灵活性和成功使用的悠久历史是其持续流行的原因。它专为点对点通信而设计，使用两条专用的非平衡单端线路和地面参考信号提供全双工通信。

　　数据速率限制为20 kbps或64 kbps低压变化。 2500-pF最大负载电容和3-koh -7-kohm负载阻抗将最大实际电缆长度限制在约16米。 RS-232指定驱动器输出电平为-5 V至-15 V（逻辑1）和+5 V至+15 V（逻辑0）和接收器输入电平（-3 V至-15 V）逻辑1和+3 V至+15 V（逻辑0）-3 V和+3 V之间的电压未定义。宽电压摆幅和未定义区域确保了高水平的抗噪声能力，并允许通过冗长的电缆接收有效的信号电平。

　　RS-232规范定义了25针D型连接器的引脚排列。信号线，但有8条信号线的9针连接器，如图5所示，更常见。每个方向上的一条线用于数据传输;其余行被指定用于通信协议。最简单的是，RS-232只需三条线即可实现： Tx （传输数据）， Rx （接收数据）和GND（地）。用于设备安全的保护接地在25针连接器中定义。该线路通常连接到电源接地或机壳接地，不应连接到信号地或系统与系统之间。

　　

　　RS-232标准将设备分为两类：DCE（数据通信设备）和DTE（数据终端设备）。这些名称是他们的计算机和现代传统的遗产;这些术语现在只是定义哪些线路作为输入连接，哪些线路作为输出连接。

　　RS-232通常用于连接多个系统，因此每个系统和总线之间的隔离至关重要。数字隔离器不支持RS-232标准，因此不能在收发器和电缆之间使用;相反，它们用在收发器和本地系统之间。收发器的系统侧通常使用0 V至3 V或0 V至5 V逻辑电平连接到通用异步接收器/发送器（UART）或处理器。由于 i 耦合器隔离器的输入和输出电路彼此电隔离，因此可以将一个放置在UART和收发器之间，作为将系统与电缆隔离的简单方法。为完成隔离，隔离式DC-DC转换器用于为隔离器和收发器供电。 ADuM1402 i 耦合器数字隔离器，ADM232L RS-232收发器和隔离电源的组合，如图6所示，可消除接地回路并提供有效的浪涌保护保护。

　　

　　RS-485： RS-485标准规定可驱动多达32对驱动器和接收器。它的多功能性和驱动4000米电缆的能力使其广泛应用于各种应用，特别是对于非常长距离的互连系统。 小型计算机系统接口（SCSI）和PROFIBUS协议都使用RS-485进行通信。

　　可用的电缆长度取决于数据速度要求，速度/长度组合范围从1200米处的200 kbps到100米处的12 Mbps。使用平衡差分信号，RS-485驱动器通过两条输出线发送数据。接收器通过比较两个信号确定逻辑状态;大于200 mV的差异提供有效的逻辑电平。驱动器和接收器中的差分放大器在信号线之间转向电流。与单端方案（如RS-232）相比，这提供了高水平的抗噪性。

　　启用功能允许驱动器进入高阻态;所以多个驱动程序可以共享一条总线而不会发生争用。软件协议定义了总线仲裁程序，使所有驱动程序始终处于非活动状态，并允许最多32个驱动程序共享线路。图7显示了半双工，2线双向配置。每个节点包含一个驱动器和接收器，所有驱动器和接收器共用相同的2线双绞线电缆。虽然这简化了安装并降低了成本，但它限制了最大吞吐率。 4线全双工配置 - 使用一个节点作为主节点，其余节点作为从节点 - 更复杂但提供更高的数据速率。

　　

　　因为RS-485通常用于连接多个系统，每个系统和总线之间的隔离是至关重要的。与RS-232一样，数字隔离器不支持RS-485标准，因此不能在收发器和电缆之间使用;相反，它们用在收发器和本地系统之间。收发器的系统侧通常连接到本地总线或处理器。由于 i 耦合器隔离器的输入和输出电路彼此电隔离，因此在处理器和收发器之间插入一个是将系统与电缆隔离的简单方法。为完成隔离，隔离式DC-DC转换器用于为隔离器和收发器供电。图8所示的ADuM1301 i 耦合器数字隔离器和隔离电源的组合消除了接地回路，并提供有效的抗浪涌保护。

　　

　　图9显示了ADM2486单芯片隔离式RS-485收发器。

　　

　　CAN总线： CAN总线标准最初是为汽车应用而开发的，它规定了一种2线串行通信协议，允许数据速率高达1 Mbps，最多30个节点和40米最大电缆长度。它以包含 start 和 stop 位，仲裁字段，控制字段，循环冗余校验（CRC）字段和的帧发送异步数据确认字段。每个节点可以同时监听和传输，因此协议最重要的特性之一是其非破坏性位仲裁，确保不丢失任何数据。每个节点在每个消息的开头发送主要的消息开始（SOM）位。其他节点将看到此活动，并且在消息完成之前不会尝试启动传输。接下来，发送11位或29位仲裁字段。也称为标识符，该字段优先考虑总线上发送的消息。优先级最高的节点始终控制总线，使较低优先级的节点等待。这种非破坏性仲裁可确保始终获得最高优先级的消息。

　　如图10所示，CAN总线使用平衡的2线差分接口，通常工作在3 V或5 V. 使用不归零（NRZ）编码，确保具有最小转换次数和高抗噪性的紧凑消息。 CAN总线收发器使用一对开漏器件产生CANH（V CC - 0.9 V）到CANL（1.5 V）的差分信号。驱动时，发送器产生主导信号，表示逻辑低。当没有驱动发送器时，上拉电阻将总线设置为V CC / 2，产生隐性信号，表示逻辑高。 待机控制使收发器进入低功耗模式。低功耗接收器在待机模式下保持活动状态，监视总线状态变化 - 并在检测到活动时发信号通知控制器激活本地节点。

　　

　　与RS-232和RS-485一样，数字隔离器不支持CAN总线标准，因此不能在收发器和电缆之间使用;相反，它们在收发器和本地CAN控制器之间使用标准的3 V或5 V逻辑电平。由于 i 耦合器隔离器的输入和输出电路彼此电隔离，因此将系统与电缆隔离的简单方法是在处理器和收发器之间插入一个。为完成隔离，隔离式DC-DC转换器用于为隔离器和收发器供电。如图11所示， i 耦合器数字隔离器和隔离电源的组合可消除接地回路并提供有效的浪涌损坏保护。

　　

　　更多关于《 span》 i 耦合器

　　在集成度，性能，功耗，易用性和可靠性。 i 耦合器设备是独立的，除了通常的旁路电容器外不需要额外的元件;它们通常速度更快，数据速率更高（达到100 Mbps），传播延迟更短（18 ns）;它们的功耗（从5 MW @ 1 Mbps到22 mW @ 25 Mbps）是同类光耦合器的1/70到1/5，相邻组件的加热可忽略不计;它们可以像标准数字CMOS一样使用;它们可以在更高的温度下工作 - 传播延迟对温度基本不敏感;它们的使用寿命更长，没有LED磨损。它们具有与高质量光耦合器类似的安全认证。目前可用的 i 耦合器器件的绝缘额定值为2.5 kV rms（400 V rms稳态），未来改善的可能性将超过50％。

　　完全披露

　　由于 Analog Dialogue 不是一本食谱，这些例子基本上说明了如何在网络通信中使用 i 耦合器技术;它们不是测试应用程序的详细原理图。有关更多信息，请参阅产品数据表和任何可用的应用说明（见下文）。与往常一样，在使用高压电路时要格外小心。

　　参考电路

　　AN-727： i RS-485应用中的耦合器隔离。

　　AN-740： i 耦合器隔离RS-232应用。

　　AN-770： i CAN总线应用中的耦合器隔离。

　　i 耦合器数字隔离 - 无与伦比的性能和集成。

　　Wayne，Scott，“在大海捞针中寻找针”，模拟对话 34-01，2000年1月至2月。