隔離技術(shù)在嵌入式系統接口中的應用

　　1 隔離技術(shù)的簡(jiǎn)介及應用場(chǎng)合

　　在許多應用中，數據鏈路之間需要(甚至是必要的)非直接的(導電)電連接，從而在提供數據的同時(shí)避免來(lái)自系統某一部分的危險電壓(或電流)對其另一部分造成破壞。造成這種破壞性失效的可能是電源質(zhì)量低劣、接地故障、雷擊和浪涌等各種故障。此外，通信節點(diǎn)的間距可能相當大，常常由不同接地區域的AC插座來(lái)給這些節點(diǎn)供電，這些接地區域之間的電位差(可能含有DC偏壓、50 Hz的AC諧波和各種瞬態(tài)噪聲分量)也會(huì )造成破壞。

　　在工程實(shí)際使用中，經(jīng)常發(fā)生通過(guò)電纜邏輯接地或屏蔽將這些地線(xiàn)連接在一起的情況，可能形成接地環(huán)路，且電流將流入該電纜。接地環(huán)路電流會(huì )對通信產(chǎn)生嚴重影響(包括數據惡化、EMI過(guò)大、元件損壞)，當電位差足夠大時(shí)，人體就有遭受電擊的可能。為了避免上述破壞，可引入非直接的(導電)電連接(稱(chēng)作“隔離”)。進(jìn)行隔離是為了消除噪聲并且防止電流在兩通信端之間流動(dòng)。隔離電路具有相對于其他電路元件極高的阻抗，從而“切斷”了由電路路徑形成的環(huán)路;斷開(kāi)環(huán)路后，噪聲電壓將出現在隔離層上而非接收機或其他敏感組件上。隔離原理如圖1所示。

　　一般在兩種情況下會(huì )采用隔離技術(shù)：①有可能存在損壞設備或危害人員的潛在電流浪涌，如醫療上的應用、電機控制、交通戶(hù)外設備等方面;②存在不同電位的接地回路的互連。這兩種情況都是采用隔離來(lái)避免電流通過(guò)，而允許兩點(diǎn)之間有數據或功率傳送。隔離普遍應用于包含高壓、高速或高精度的通信、長(cháng)距離通信的場(chǎng)合，常見(jiàn)的有工業(yè)輸入/輸出系統、接口方面、總線(xiàn)、電源、電機控制、儀器儀表等。

　　2 隔離技術(shù)的分類(lèi)

　　當前有3種通常的隔離技術(shù)：光電隔離、變壓器隔離(電感隔離)、電容隔離。此外，還有ADI公司的一項專(zhuān)利隔離技術(shù)，即磁耦(iCoupler)隔離技術(shù)。其中，光電隔離、電容隔離、磁耦隔離都屬于數字隔離，而電感隔離通常僅用于電源或模擬隔離器，而非數字隔離器件。

　　光耦合技術(shù)是在透明絕緣隔離層(例如空氣間隙)上的光傳輸，完成了電一光電的轉換，從而起到輸入、輸出隔離的作用。光耦合技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是，光對外部電子或磁場(chǎng)內在的抗干擾性強，而且光耦合技術(shù)允許使用恒定信息傳輸。光耦合器的不足之處主要體現在速度限制、功耗以及LED老化上。

　　變壓器隔離使用變壓器線(xiàn)圈來(lái)使傳輸信息通過(guò)隔離層，隔離前端的電流變化通過(guò)線(xiàn)圈引起隔離另一側的電流變化。Ac信號(例如以太網(wǎng))的隔離非常適合于變壓器耦合。變壓器隔離的優(yōu)點(diǎn)是速度高，而且可以給隔離端供電;缺點(diǎn)是易受外部磁場(chǎng)(噪聲)的干擾且變壓器的體積比較大。

　　電容耦合使用不斷變化的電場(chǎng)來(lái)通過(guò)隔離層實(shí)現信息傳輸。電容器極板之間的材料是電介質(zhì)絕緣體，即隔離層。電容隔離層的優(yōu)勢是效率高，無(wú)論在體積、能量轉換還是在抗磁場(chǎng)干擾方面均如此。與變壓器不同的是，電容耦合的缺點(diǎn)在于無(wú)差分信號，并且噪聲與信號共用同一條傳輸通道。這就要求信號頻率應遠高于可能出現的噪聲頻率，以便使隔離層電容對信號呈現低阻抗，而對噪聲呈現高阻抗。如同電感耦合一樣，電容耦合也存在帶寬限制。磁耦隔離技術(shù)是ADI公司的一項專(zhuān)利隔離技術(shù)，它是一種基于芯片尺寸的變壓器，而非傳統的基于光電耦合器所采用的發(fā)光二極管(LED)與光敏三極管結合。采用iCoupler技術(shù)的數字隔離器利用平面磁場(chǎng)專(zhuān)利隔離技術(shù)，并采用iCoupler變壓器專(zhuān)利技術(shù)集成變壓器驅動(dòng)和接收電路，同時(shí)不再需要驅動(dòng)LED的外部電路，具有低功耗、高集成度等特點(diǎn)。

　　3 隔離技術(shù)的具體應用

　　3.1 隔離技術(shù)在RS485/RS422中的應用

　　RS485/RS422 作為強健的接口標準，采用雙絞線(xiàn)電纜連接并具有寬共模電壓范圍內差分信號傳輸的低噪聲耦合特性，允許在高達10 Mbps的信號傳輸速率下進(jìn)行數據交換。盡管該標準已被廣泛接受，但是它在實(shí)際應用中的一些具體問(wèn)題并沒(méi)有得到深入的認識，甚至存在著(zhù)種種誤區(比如接地、隔離及瞬態(tài)保護并沒(méi)有在實(shí)際使用中得到正確的應用)，以至于影響到整個(gè)系統的性能。在實(shí)際應用中，RS485/RS422通信大多采用圖2所示的3種方式。

　　對于圖2(a)的設計，遠程數據連接通常存在很大的地電位差(GDP)，該電位差到了發(fā)送器的輸出上就成了共模噪聲。如果這種噪聲過(guò)大，就可能超過(guò)接收器的輸入共模噪聲容限，從而造成器件損壞。圖2(b)中的設計方法對高阻型共模干擾有效，由于干擾源內阻大，短接后不會(huì )形成很大的接地環(huán)路電流，對于通信不會(huì )有很大影響。但當共模干擾源內阻較低時(shí)，會(huì )在接地線(xiàn)上形成較大的環(huán)路電流，耦合到數據線(xiàn)中成為共模噪聲，影響正常通信。圖2(c)實(shí)際上是在接地線(xiàn)上加限流電阻限制干擾電流，但大地接地回路的存在使數據鏈路對回路中其他地方產(chǎn)生的噪聲非常敏感。

　　總的來(lái)說(shuō)，圖2(c)的方案比前兩種合適，但建立長(cháng)距離數據鏈路的最可靠的方法是通過(guò)數字隔離方案來(lái)隔斷接地回路，其單節點(diǎn)設計如圖3所示。

　　采用圖3所示方法時(shí)，總線(xiàn)收發(fā)器的信號線(xiàn)和電源線(xiàn)與本地信號和電源是相互隔離的。該設計有2個(gè)關(guān)鍵：

　?、倨涓綦x器件可以選用ADI公司iCoupler產(chǎn)品的ADuM141x，也可以選用TI公司的IO72xx數字隔離器。其中IO72xx是數字電容性隔離工藝應用的數字隔離器，接收數字輸入并產(chǎn)生干凈的數字輸出，同時(shí)防止源自輸入參考地的噪聲電流及過(guò)電壓的干擾。

　?、谠擃?lèi)隔離器件都具有雙電源、地，分別接系統內部電源、地和通信接口芯片的電源、地，同時(shí)雙電源、地通過(guò)隔離型DC-DC變換器進(jìn)行隔離?；蛘呤褂肁DI 公司采用iCoupler技術(shù)的DC-DC隔離電源轉換器isoPower系列的ADuM524x來(lái)實(shí)現隔離部分和隔離型DC-DC部分的集成簡(jiǎn)化方案，但需要注意的是ADuM5241的隔離電源的驅動(dòng)能力可能不夠。

　　圖4給出的是多個(gè)隔離型.RS485/RS422收發(fā)器組網(wǎng)的詳細連接?？偩€(xiàn)節點(diǎn)以菊花鏈或總線(xiàn)拓撲方式聯(lián)網(wǎng)，總線(xiàn)上每臺設備的工作地是不相連的，每個(gè)節點(diǎn)都必須通過(guò)很短的線(xiàn)頭連接到主線(xiàn)纜。RS485/RS422盡管是差分傳輸，但對RS485網(wǎng)絡(luò )來(lái)講一條低阻的信號地還是必不可少的。一條低阻的信號地將兩個(gè)接口的工作地連接起來(lái)，使共模干擾電壓被短路，這條信號地可以是額外的一對非屏蔽雙絞線(xiàn)或者是屏蔽雙絞線(xiàn)的屏蔽層。注意，無(wú)論怎么連接千萬(wàn)不能形成工作地回路，否則將會(huì )形成很大的環(huán)路電流。特別要注意的是，如果使用了專(zhuān)門(mén)的低阻的信號地，再使用屏蔽層保護，就必須屏蔽層單端接某個(gè)節點(diǎn)的收發(fā)器的地，否則就會(huì )形成地回路。另外還要注意，所有收發(fā)器中除了一個(gè)以外其他均通過(guò)隔離連接到總線(xiàn)，圖4中唯一一個(gè)未隔離的收發(fā)器為整個(gè)總線(xiàn)接口提供單一地參考，噪聲環(huán)境下往往用2個(gè)RC低通濾波器替代120 Ω終端電阻，以增強對共模噪聲的濾波。2個(gè)濾波器的電阻值應相等(最好采用精密電阻)，以確保2個(gè)濾波器具有相同的滾降頻率。

　　3.2 隔離技術(shù)在CAN總線(xiàn)中的應用

　　CAN(控制區域網(wǎng))屬于串行通信總線(xiàn)，適用于強健的實(shí)時(shí)控制應用，因此在工業(yè)、交通、控制、測量領(lǐng)域有極廣泛的應用。如果單個(gè)CAN-bus節點(diǎn)設計不當，就會(huì )導致總線(xiàn)通信不良，甚至因為收發(fā)器電路而破壞整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò )的穩定性。尤其CAN總線(xiàn)的工作場(chǎng)合經(jīng)常十分惡劣，在第1節中提及的任何不利因素均有可能出現在CAN-bus中，所以CAN-bus接地、隔離及瞬態(tài)保護是十分必要的。

　　在以往的設計中，一般可以采用2個(gè)高速光耦(6N137)實(shí)現電氣上的隔離，1個(gè)電源隔離模塊(+5 V轉+5 V)實(shí)現電源上的隔離，還需要計算電阻值的大小以搭建出合理的收發(fā)器隔離電路。需要注意的是，僅有高速光電耦合器，卻沒(méi)有電源上的隔離，此時(shí)的隔離將失去意義。由于這種方式存在著(zhù)體積偏大、成本偏高的缺點(diǎn)，建議采用電容耦合技術(shù)或磁耦隔離技術(shù)。隔離型CAN-bus節點(diǎn)一般是由CAN控制器、CAN收發(fā)器、數字隔離器件組成，具體節點(diǎn)設計類(lèi)似圖3所示。但需要注意的是，隔離措施是加在CAN控制器與CAN收發(fā)器之間的，同時(shí)需要在CAN-bus總線(xiàn)上加總線(xiàn)保護器件。

　　CAN-bus的隔離原理與RS485/RS422相似，節點(diǎn)設計原理也相同，只是電器規定上有所不同。隔離器件可以選用ADI公司iCoupler產(chǎn)品，隔離電壓為2 500 VRMS;也可以選用TI公司的1072xx數字隔離器，隔離電壓為4 000 V RMS。但是都需要隔離型DC-DC變換器來(lái)實(shí)現總線(xiàn)收發(fā)器的信號線(xiàn)和電源線(xiàn)與本地信號和電源的相互隔離。如果選用ADI公司的集成隔離電源(如 ADuM524x)，則需要考慮電源的驅動(dòng)能力。如果需要更加簡(jiǎn)化電路設計，可以選用廣州致遠電子有限公司的CTM系列模塊，該系列是集電源隔離、電氣隔離、CAN收發(fā)器、CAN總線(xiàn)保護于一體的隔離CAN收發(fā)器模塊，同時(shí)也要考慮T系列的節點(diǎn)驅動(dòng)問(wèn)題。

　　所有符合CAN2.O規范的節點(diǎn)可以連接在一起，構成一個(gè)直線(xiàn)拓撲結構的CAN-bus網(wǎng)絡(luò )，在網(wǎng)絡(luò )的兩個(gè)終端各需要安裝一個(gè)120 Ω的終端電阻。如果選用屏蔽電纜線(xiàn)可以將屏蔽層單點(diǎn)接大地(不能形成環(huán)路)，也可以將屏蔽層通過(guò)耐高壓的電阻、電容單點(diǎn)接數字隔離器件的地引腳。

　　3.3 隔離技術(shù)在信號傳感器中的應用

　　許多硬件設計任務(wù)主要圍繞如下方面展開(kāi)：數/模轉換器(DAC)、模/數轉換器(ADC)、輸入和輸出信號調理、輸入/輸出模塊的電氣連線(xiàn)、控制器之間以及模塊之間的隔離問(wèn)題。各種傳感器產(chǎn)生的數字信號都傳送到一個(gè)中央控制器，進(jìn)行處理和分析。為了保證用戶(hù)接口端電壓的安全性，同時(shí)防止瞬態(tài)尖峰的傳輸，需要實(shí)現電流隔離。對于傳感器信號隔離，傳統的模擬隔離方案(如隔離放大器AD202)成本太高，可以采用數字隔離方案――AMP→ADC→Digital Isolate→MCU降低成本，如圖5所示。

　　數字隔離器用來(lái)將系統現場(chǎng)的ADC、DAC和信號調理電路與數字端的微處理器隔離開(kāi)來(lái)。其中，需要隔離型DC-DC變換器來(lái)實(shí)現微處理器的信號線(xiàn)和電源線(xiàn)與ADC/DAC的信號和電源的相互隔離。隔離器件可選用ADI公司的iCoupler產(chǎn)品或TI公司的IO72xx數字隔離器。在滿(mǎn)足應用需要的前提下，可以選用ADI公司集成3 750 V電壓隔離的ADC(AD7400)來(lái)減輕設計負擔。

　　在完全隔離的系統中，從系統端向現場(chǎng)端提供隔離的電源是另一個(gè)要面對的挑戰，而在這方面也涌現了新的解決方案。傳統上，將電源從隔離的一端傳遞到另一端所用的技術(shù)包括使用單獨的、尺寸較大的、昂貴的DC-DC變換器，或者設計及接口均較困難的分立器件。目前，一種更好的方法是采用完整的、全部集成化的隔離解決方案。這種方案可以通過(guò)微變壓器實(shí)現跨越隔離點(diǎn)的信號和電源傳輸，其供電能力達50 mw。例如isoPower系列產(chǎn)品ADuM524x可以提供高達2 500 V的信號和電源隔離度，不僅避免了采用分立的隔離電源，而且降低了隔離系統的總成本，減小了電路板面積，縮短了設計時(shí)間。

　　4 瞬態(tài)保護

　　在實(shí)際工程使用中，使用了上述數字隔離方案的系統可靠性有了極大的提高，能消除噪聲并且防止電流在兩通信端之間流動(dòng)，防止瞬態(tài)尖峰在系統內部的破壞性傳播。但是盡管數字隔離器件以?xún)鹊碾娐废到y沒(méi)有損壞，可是接口電路在有強烈的浪涌能量出現時(shí)，甚至可以看到收發(fā)器爆裂、線(xiàn)路板焦糊的現象，雖然不至于影響整個(gè)系統的安全性，但也造成極大的不便。

　　出現該現象的原因：雖然隔離“切斷”了由電路路徑形成的環(huán)路，噪聲電壓只出現在隔離層上而非接收機或其他敏感組件上，但是接口電路必須要經(jīng)過(guò)強烈能量的考驗。圖4提到的接地措施只對低頻率的共模干擾有保護作用，而對于頻率很高的瞬態(tài)干擾就無(wú)能為力了，因為引線(xiàn)電感的作用對高頻瞬態(tài)干擾來(lái)講接地線(xiàn)實(shí)際等同于開(kāi)路。這樣的瞬態(tài)干擾可能會(huì )有成百上千伏的電壓但持續時(shí)間很短，在切換大功率感性負載(電機、變壓器、繼電器)，閃電等過(guò)程中都會(huì )產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以適當防護就會(huì )損壞接口。

　　對于這種瞬態(tài)干擾，可以采取瞬態(tài)抑制方法加以防護。實(shí)際應用中采用兩級防護措施：使用3個(gè)90 V陶瓷放電管(3RM090L-8)(可承受10/700 μs，10/700μs為通信線(xiàn)路中感應出的雷擊電壓波形，表示從零值上升至峰值的時(shí)間為10 ms，下降至峰值一半的時(shí)間為700μs，8 000V雷擊測試)進(jìn)行共模防護、差模防護，此時(shí)過(guò)電壓被大大削弱到500 V左右;再經(jīng)過(guò)PTC(可以采用100～200mA、耐壓250 V以上的自恢復保險絲K250-120U)或10Ω左右的電阻限流。TVS瞬態(tài)抑制二極管的選擇可以根據芯片的工作電壓與耐壓決定，一般略高于芯片最高工作電壓，RS485芯片可以選擇P6KE15CA，RS232芯片可以選擇P6KE18CA。

　　結 語(yǔ)

　　由于本單位的交通戶(hù)外設備大多數工作于惡劣環(huán)境，在雷雨多發(fā)期間或由于施工不當(管線(xiàn)分類(lèi)或接地不合適)經(jīng)常造成通信的可靠性下降，在采取本文設計的隔離、接地方案后，可靠性有了極大的提高。該方案適合任何需要隔離保護的嵌入式系統設計，因為任何高可靠性的插拔型接口都需要有隔離保護。