簡(jiǎn)易多種協(xié)議隔離器接口電路設計

　　通常產(chǎn)品設計時(shí)間非常緊張，用于新產(chǎn)品設計的資金也并不寬余。但不管怎樣，我們都必須要在不增加成本的前提下設計出能夠運行于惡劣環(huán)境下的穩健系統。一般而言，這會(huì )要求使用電流隔離，用于保護敏感控制電子組件免受外部突入和瞬態(tài)浪涌電流的損害。如果您的設計涉及許多工業(yè)接口，那么當您在各大半導體廠(chǎng)商的官方網(wǎng)站上看到琳瑯滿(mǎn)目的RS-485、RS-232、CAN和I2C信號隔離器時(shí)，您會(huì )發(fā)現自己像一個(gè)進(jìn)到糖果店里的小孩一樣興奮不已。但是，當您想要采購經(jīng)理批準購買(mǎi)這些產(chǎn)品時(shí)，他會(huì )立馬給您潑上一盆冷水：“不能利用一些已有的標準組件嗎？不管用什么方法，把它們都利用起來(lái)？”

　　今后碰到這種情況，您可以熱情洋溢的回答“沒(méi)問(wèn)題”了，因為本文將為您介紹一小部分工業(yè)接口電路，它們幾乎都只使用一個(gè)標準隔離器。圖1-4 顯示了工業(yè)應用中最為常見(jiàn)的數字接口的簡(jiǎn)化示意圖。

　　圖 1 隔離式 RS-485 總線(xiàn)接口

　　圖 2 隔離式 CAN 總線(xiàn)接口

　　圖 3 隔離式 RS-232 線(xiàn)路接口

　　圖 4 多主機應用隔離式 I2C 總線(xiàn)接口

　　請注意，為了便于說(shuō)明，我們省略了旁路電容器和上拉/下拉電阻器。首批三個(gè)電路都有一個(gè)異步數據傳輸模式，其使用兩條數據線(xiàn)路和一條控制線(xiàn)路，用于驅動(dòng)器/接收器激活。這樣，在節點(diǎn)控制器和標準兼容收發(fā)器芯片之間便只需一個(gè)三重隔離器了。圖 4 所示隔離式 I2C表示一種特殊情況，因為它支持僅有幾英寸長(cháng)的短通信鏈路，因此不需要線(xiàn)路收發(fā)器。在一些多主機應用中，兩個(gè)節點(diǎn)會(huì )同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)。為了防止信號轉回其源，我們使用一個(gè)雙向緩沖器來(lái)支持從R（x，y） 到 S（x，y） 的接收傳輸以及 S（x，y） 到 T（x，y） 的發(fā)送傳輸，而非R（x，y） 到 T（x，y） 的直接回環(huán)。幸運的是，多主機設計只是少數情況，大多數都是單主機應用。因此，我們可以極大地簡(jiǎn)化圖 4 所示電路。由于是單主機，時(shí)鐘信號 （SCL） 僅需單向傳輸，從而將時(shí)鐘隔離減少至一條通道。然后，用一個(gè)晶體二極管開(kāi)關(guān)代替雙向緩沖器，這樣隔離層（圖 5）每端將電路簡(jiǎn)化至我們的標準三重隔離器（圖 6）。

　　圖 5 利用晶體管開(kāi)關(guān)隔離發(fā)送和接收路徑

　　在待機模式下，隔離器輸入 A 和 C 通過(guò) R2 和 R4 被拉至高電平，推高輸出 B 和 D。另外，主和從數據線(xiàn)路（SDA1 和 SDA2）通過(guò) RPU1 和 RPU2 被拉至高電平。當主機通過(guò)拉低 SDA1 開(kāi)始通信時(shí)，Q1 發(fā)射極結點(diǎn)被正向偏置，而 Q1 將輸入 A 拉至低電平。輸出B 跟著(zhù)變?yōu)榈碗娖?，并正向偏?D2。D2 拉低 SDA2。與此同時(shí)，Q2 發(fā)射極結點(diǎn)被反向偏置，并且 Q2 保持高阻抗。開(kāi)關(guān)順序相同，僅在從數據線(xiàn)路響應時(shí)反向。

　　圖 6 單主機應用隔離式I2C總線(xiàn)接口

　　圖 6 顯示了最終的電路情況。至少使用 0.1Μf 電容器來(lái)對芯片電源進(jìn)行緩沖。通過(guò) 1k 到 10k電阻器，始終將激活輸入端連接至各個(gè)電源軌。這些電阻器可控制進(jìn)入電源線(xiàn)路的浪涌瞬態(tài)所引起的芯片突入電流。利用濾波器電容（此處為 220pF）來(lái)抑制敏感的 CMOS 輸入噪聲，是一種較好的模擬設計方法。沒(méi)有隔離電源，隔離設計便不完整。圖 7 顯示了一種低成本、隔離式 DC/DC 轉換器設計，用于替代昂貴的集成 DC/DC 模塊。主副電源均可以在 3.3V 和 5V 之間變化。下列表格列出了三種電源組合的相應組件。

　　圖 7 隔離式DC/DC轉換器