集成电路的原理和制作

简介

作为与外围设备进行串行通信的标准，USB如今无处不在。但是，在许多情况下，工业设备仍然依赖于较旧的RS-232标准，用于调试或主从连接。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上的可用接口（例如仅具有用于串行通信的USB的膝上型计算机）和可能仅暴露RS-232，RS-422或RS的工业设备之间可能存在不匹配-485接口。

除了任何USB到UART转换所需的硬件接口外，电流隔离对于测试或监控设备之间的任何接口电路以及工业设备而言都是功能性和潜在的安全要求。可能在电气恶劣的环境中积极使用。 ADI公司的接口 i 耦合器®和 iso 电源®隔离技术的组合，集成在一起集成电路，可以轻松解决USB和传统工业接口之间的差距。

为什么要使用电隔离？

当与工业设备连接时，避免干扰是至关重要的这些系统的运作。电流隔离可防止任何电流流动，同时允许数据传输，同时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，会出现一些危险，如图1所示。

如果调试设备接地，地电位的差异会导致环路电流

如果调试设备没有接地，静电可以放电到被测设备中

由于电机和继电器的开关噪声，现场总线网络可能会产生危险电压。

某些基本诊断设备（如笔记本电脑）可能没有与工业设备相同的严格级别的接口保护

在USB转UART界面中，有两种可能： USB接口可以隔离，也可以隔离UART接口（RS-232，RS-485和RS-422）。从理论上讲，两者都可以隔离，以保护接口模块本身免受任何设备的影响，或者提供与两个基本隔离接口串联的安全隔离。

使用 i 耦合器数字隔离器隔离

使用 i 耦合器技术的数字隔离器为电流隔离提供高水平的稳健性，同时提高可靠性和降低功耗要求比光耦合器。其他IC功能（如收发器）可以集成到单芯片解决方案中，与非隔离解决方案相比，需要额外的PCB面积。这对于隔离RS-232或RS-485接口特别有利，因为已经要求IC以适当的电压进行发送和接收。

对于USB，需要两个信号D +和D-。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封装中实现这一目标。通过USB电缆可在隔离器的一侧提供电源，因此也应在隔离侧提供类似的电源。 ADuM5000在单个宽体SOIC中提供隔离电源，使用集成的 iso 电源芯片级变压器实现隔离电源。如果需要额外的电源，可以使用外部变压器和整流器，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，需要一个发送器（Tx）和接收（Rx）信号需要隔离，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。还需要隔离电源来为收发器和隔离器的收发器侧供电。所有三个组件（信号隔离，收发器和隔离电源）都集成在ADM3252E中，如图2所示，从而形成单个BGA封装，提供完整的隔离RS-232接口。

< p> RS-485还要求收发器与2线总线（A和B）或4线总线（A，B，Y和Z）连接。要隔离的信号是发送（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，包括为其供电所需的集成 iso 电源DC-DC转换器。设备的收发器侧。收发器也可用于RS-422通信。

隔离USB到工业串行接口的选项

为了与工业设备上的串行端口连接， RS-232，RS-422或RS-485收发器必须与USB转UART芯片结合使用，例如FTDI FT2232H。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。这具有将两个端口彼此隔离的优点，减少了连接到两个工业设备时的潜在危险。此外，不需要明显的隔离电源，因为接口侧电源是在ADM3252E和ADM2587E中使用 iso 电源技术在内部生成的。

或者，隔离可以使用ADuM3160或ADuM4160 USB隔离器可轻松定位在一个点上。这意味着可以使用标准串行接口IC。但是，端口不是单独隔离的，需要隔离电源解决方案（如ADuM3070）将USB提供给UART芯片，收发器和USB隔离器的下游端。

这两种方法都在参考电路CN-0373的单板上进行了演示，如图4所示。它结合了ADuM3160以隔离USB接口，ADuM3070为电路板提供隔离电源，包括USB转UART芯片和ADM3252E / ADM2587E隔离分别为RS-232，RS-422和RS-485接口。

结论

电流隔离是与工业环境中的设备连接的重要组成部分。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。这允许为工业应用实现完全隔离的USB到串行实现。为了说明该应用的可能隔离解决方案，ADI提供了一个电路笔记CN-0373：隔离USB到隔离RS-485 /隔离RS-232接口。这样就可以在USB接口和RS-232和RS-485端口完全隔离USB到UART芯片，从而可以对所提供的稳健性进行全面测试和演示。