電流隔離LVDS接口

作者/Thomas Brand ADI公司

　　摘要：介紹了高速信號傳輸的挑戰，及ADI公司的信號隔離式LVDS緩沖器——ADN4650/ADN4651/ADN46521是，若與ADuM5000組合使用，可實(shí)現短距離600 Mbps和數米距離200 Mbps的傳輸速率。

　　關(guān)鍵詞：數字隔離;LVDS;接口

　　在這個(gè)自動(dòng)化、數字化和工業(yè)4.0的時(shí)代，信號和數據的傳輸正在發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越大的作用。生產(chǎn)車(chē)間內外的這些應用中的機器、系統甚至個(gè)別傳感器的聯(lián)網(wǎng)，不僅需要穩定的基礎設施，還需要安全、快速、高精度、無(wú)干擾、高帶寬的傳輸路徑。根據應用情況，傳輸路徑可能需要承受極端惡劣的環(huán)境條件。數據傳輸有多種不同方法：有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)、串行和并行。所有方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，需要針對具體應用情況仔細權衡。

　　與有線(xiàn)系統相比，無(wú)線(xiàn)技術(shù)依賴(lài)一系列關(guān)鍵參數、不同元器件和當前環(huán)境影響等因素。無(wú)線(xiàn)電通信的一個(gè)重要方面是無(wú)線(xiàn)電范圍，它取決于發(fā)射和接收天線(xiàn)的位置、發(fā)射功率、本地環(huán)境條件和頻率范圍。因此，在規劃無(wú)線(xiàn)電傳輸應用時(shí)，必須考慮相應的標準，尤其是與通信范圍有關(guān)(因而與接收信號質(zhì)量有關(guān))的標準。

　　過(guò)去，幾Mbps的帶寬即足以滿(mǎn)足接口轉換器或工業(yè)背板等應用的需求。串行外設接口(SPI)或RS-485等不同接口部分需要的隔離，仍然可以通過(guò)標準解決方案實(shí)現。然而，當前的工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等潮流需要大量測量和極其復雜的控制系統，對數據速率或帶寬的要求也更高，而這又必須由接口承擔。對接口的這些及其他不斷增長(cháng)的需求，例如更高安全性(體現為更高的介電強度)、更高可靠性和更小空間要求，傳統解決方案已不再管用。對此，數字隔離器也是最佳解決方案，因為其不僅滿(mǎn)足上述更高的安全性、性能和可靠性要求，而且還提供集成隔離及多路輸入輸出。

　　信號傳輸應用常用的方法是低壓差分信號傳輸(LVDS)。這涉及到串行數據傳輸的既有接口標準(TIA/EIA-644)，除了極佳的節能特性和高達幾Gbps的數據速率潛力之外，它還具有很高的抗擾度。這些良好特性可歸因于內部使用的電流控制或驅動(dòng)器模塊的限流功能(最大3 mA)。信號差分電壓僅為20 mV。但是，它隨后在接收器側被放大回300 mV(差分)的邏輯電平。由此獲得的好處包括電磁干擾(EMI)極其低、開(kāi)關(guān)速度極其快等。

　　LVDS接口常常與控制和調節系統一起使用，大數據量必須在電子電路之間或短電纜之間發(fā)送。它還能將時(shí)鐘信號非?？焖俚胤峙浣o完整應用中的不同器件，從而使相應器件同步。工業(yè)測量應用和控制系統中的模擬前端(AFE)屬于LVDS的典型應用。不過(guò)，它也常用于實(shí)現多個(gè)數據節點(diǎn)之間的以及視頻信號傳輸中的數字接口，例如通過(guò)HDMI?。另一個(gè)不容忽視的方面是LVDS電路提供電流隔離的可能性。因此，它也用于任何需要隔離通信接口的地方，例如在電子電路或背板中。

　　背板是含有多個(gè)連接器的電路板，用于容納各種外掛板模塊?；鞠到y利用背板可輕松實(shí)現即插即用的擴展，以包括更多組件。然而，外掛模塊常常要經(jīng)受高壓瞬變，因為在許多應用中，它們與連接到配電網(wǎng)的部件直接接觸。因此，外掛模塊容易受到雷擊等外部事件的影響。人體接觸引起的靜電放電，內部電容突然充電、反極性充電或在插拔外掛模塊時(shí)放電，也會(huì )導致高瞬變。因此，安全隔離接口對于系統是必不可少的。否則，如果發(fā)生電壓瞬變，相連組件很容易損壞，或者危及用戶(hù)。功能隔離的通信接口對工業(yè)測量?jì)x器也很有利，因為隔離接口提供一個(gè)浮空接地，例如位于模數轉換器和微控制器之間。這樣，測量信號就不會(huì )影響和干擾應用的其余部分，也不會(huì )受其影響或干擾。

　　市場(chǎng)上已經(jīng)有各種各樣用于實(shí)現隔離LVDS接口的產(chǎn)品。ADI公司的隔離LVDS系列是非常有效且可靠的解決方案，包括ADN4650、ADN4651和ADN4652，支持高達600 Mbps的數據速率，同時(shí)也符合非隔離LVDS接口的標準值。相比之下，標準數字隔離器只能達到150 Mbps。由于采用iCoupler?技術(shù)，盡管存在隔離，該系列仍能實(shí)現非常高的數據速率。這涉及到利用微機電系統(MEMS)實(shí)現片上變壓器，從而簡(jiǎn)單地隔離數字信號并節省空間。

　　LVDS系列還提供超精密時(shí)間特性和極低的抖動(dòng)(也稱(chēng)為時(shí)序抖動(dòng))。抖動(dòng)描述數字信號的上升沿和下降沿相對于理想時(shí)間基準的偏差。在高數據速率下，低抖動(dòng)非常重要，因為以600 Mbps的速率傳輸一比特僅需1.6 ns。對信號上升沿或下降沿中的抖動(dòng)要求是，必須讓模數轉換器有足夠的時(shí)間來(lái)達到實(shí)際的高電平或低電平，以便可以正確執行采樣。對于A(yíng)DN465x系列，抖動(dòng)典型值為70 ps。LVDS模塊還提供兩個(gè)隔離LVDS通道，構成ADN4651中的發(fā)射和接收通道。ADN4652中的通道排列與ADN4651中的通道排列相反，而ADN4650僅提供發(fā)射或接收通道，具體取決于接線(xiàn)。ADN465x系列利用內部2.5 V電源電壓工作;遺憾的是，工業(yè)系統常常沒(méi)有這種電源電壓，僅提供3.3 V電壓。因此，ADN465x系列中集成了低壓差穩壓器(LDO)，其輸入端可接受3.3 V的外部電源電壓。模塊或其輸入端及其隔離輸出端的供電可以使用隔離式ADuM5000 DC-DC轉換器等實(shí)現。這樣可以選擇性地產(chǎn)生5 V或3.3 V的隔離輸出電壓，最大功率輸出為500 mW。此電路配置如圖1所示。

　　結合ADuM5000，該器件系列可滿(mǎn)足當今工業(yè)應用對隔離LVDS接口的眾多要求。這種高度集成的解決方案還滿(mǎn)足標準化總線(xiàn)通信的所有先決條件。LVDS接口經(jīng)常用于節能應用。對此，ADN4651和ADuM5000的組合是替代傳統光耦合器的極其省電的解決方案，常常需要同時(shí)隔離多個(gè)通道。

　　在LVDS應用中，通道并行使用以使吞吐速率和相應的波特率最大。所述采用ADI公司上述模塊的電路提供一個(gè)四通道隔離器：兩個(gè)發(fā)射通道和兩個(gè)接收通道。因此，一個(gè)電子組件上的兩個(gè)完整發(fā)射和接收通道可同時(shí)以非常高的傳輸速率進(jìn)行信號傳輸。

　　只要符合關(guān)于最大脈沖寬度失真的要求，利用ADN465x系列便可輕松達到DC至600 Mbps的數據速率。此外，布局中必須考慮與高速傳輸差分信號相關(guān)的一些因素。輸入側和輸出側走線(xiàn)應匹配，并且相對于地具有近似50 Ω的阻抗，或信號線(xiàn)之間具有100 Ω阻抗。另外，建議在LVDS輸入端連接100 Ω端接電阻，如圖2所示。

　　電纜長(cháng)度和連接器類(lèi)型也會(huì )影響最大數據速率。使用較低數據速率(最高200 Mbps)并與支持高數據速率和帶有屏蔽線(xiàn)對的連接器結合時(shí)，電纜甚至可以長(cháng)達數米。

　　ADN4650/ADN4651/ADN46521是信號隔離式LVDS緩沖器，數據速率高達600 Mbps，并且具有極低的抖動(dòng)。與ADuM5000的這種組合使其成為高速信號傳輸的理想選擇，能夠實(shí)現短距離600 Mbps和數米距離200 Mbps的傳輸速率。

　　作者簡(jiǎn)介：

　　Thomas Brand于2015年10月在德國慕尼黑加入ADI公司，當時(shí)他還在攻讀碩士。2017年2月，他開(kāi)始擔任現場(chǎng)應用工程師職位，主要負責工業(yè)大客戶(hù)。此外，他還專(zhuān)注于研究工業(yè)以太網(wǎng)，并為中歐的相關(guān)事務(wù)提供支持。他畢業(yè)于德國莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè)，之后在德國康斯坦茨應用科學(xué)大學(xué)獲得國際銷(xiāo)售碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：thomas.brand@analog.com。

本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第2期第21頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處