解析基于iCoupler技術(shù)的全集成式RS-485系統隔離解決方案

作為大家熟悉的一種長(cháng)距離串行通信總線(xiàn)技術(shù)，RS-485大量出現在地鐵等公共交通環(huán)境中，包括車(chē)站門(mén)禁系統網(wǎng)絡(luò )、智能低壓配電系統、乘客信息系統(PIS)等應用，都會(huì )看到它們的身影。事實(shí)上，RS-485總線(xiàn)網(wǎng)由于采用雙絞線(xiàn)作為傳輸線(xiàn)，一般在室外架空或沿電纜溝鋪設，所以在雷雨季節常因雷電在傳輸線(xiàn)上引起瞬變干擾而損壞器件。再者，由于RS-485的網(wǎng)絡(luò )拓撲一般采用終端匹配的總線(xiàn)型結構，即通常采用一條總線(xiàn)將各個(gè)節點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)，不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò )，因此雷電引發(fā)的瞬變往往導致傳輸線(xiàn)上的多個(gè)RS-485收發(fā)器損壞。

此外，由于RS-485網(wǎng)絡(luò )鋪設距離長(cháng)，而且連接多種系統，因此特別容易受到失控電壓和電流所帶來(lái)的負面影響。當這類(lèi)現象發(fā)生時(shí)，遠端系統期望獲得的邏輯電平開(kāi)關(guān)信號，就會(huì )被迭加在一個(gè)參考其本地地電位的高電壓之上。為了防范此類(lèi)潛在性的破壞，除了在設計的時(shí)候要將總線(xiàn)上的所有設備和連接至總線(xiàn)的系統參考同一地電位外，還必需將RS-485系統器件與連接至總線(xiàn)的各個(gè)系統隔離，從而防止接地環(huán)路和電涌損壞電路。

為了實(shí)現RS-485的系統隔離，必須對RS-485的信號線(xiàn)路和電源進(jìn)行隔離。通常情況下，電源隔離采用隔離DC-DC電源實(shí)現，而信號隔離通常則會(huì )使用到目前常見(jiàn)的三種隔離技術(shù)：光電隔離、變壓器隔離以及電容隔離。三種技術(shù)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但是一直以來(lái)，光耦合器和變壓器技術(shù)最為常用。

用磁耦隔離替代光電隔離

光電耦合器是光電隔離的一種形式，作為傳統的隔離器件，其影響力最為深遠。光電隔離的主要優(yōu)勢是應用廣泛，因此整個(gè)電路比較成熟，成本低。但是我們也可以看到，采用光電隔離方法通常需要三極管與電阻等分立元件共同使用才能完成其功能，整個(gè)電路體積大，集成度不高，而且光電耦合器件本身的易損耗、速度較慢、耗電量大，特別是在溫度和老化變化過(guò)程中的性能極不穩定性，為其應用帶來(lái)局限。

為了克服光電隔離技術(shù)的諸多缺點(diǎn)，我們在進(jìn)行RS-485系統隔離設計的時(shí)候，還可以選擇市面上諸多的數字隔離解決方案，例如ADI基于其專(zhuān)有iCoupler磁耦隔離技術(shù)的標準數字隔離產(chǎn)品，例如ADuM131x、ADuM141x等，來(lái)替代CPU與RS-485收發(fā)器之間的光耦部分，其他電路部分保持不變。

圖1：iCoupler變壓器剖面圖。

iCoupler技術(shù)是基于芯片尺寸的變壓器，每個(gè)iCoupler通道都由兩部分組成：CMOS接口電路和芯片級的變壓器。而iCoupler隔離變壓器的核心，正是這個(gè)能夠穿越隔離阻障并發(fā)射與接收信號的平面變壓器，它們不僅能夠提供隔離，而且消除了光耦合器中光電轉換的缺點(diǎn)，包括功耗過(guò)大、較大的時(shí)序誤差和數據速率受限等。事實(shí)上，由于無(wú)需驅動(dòng)LED的外部電路，iCoupler數字隔離器功耗僅為光電耦合器的1/10～1/50。

iCoupler隔離變壓器可實(shí)現數千伏的隔離，其高耐壓的關(guān)鍵性，在于發(fā)送和接受變壓器的頂層和底層線(xiàn)圈之間，采用厚達20微米的聚酰亞胺材料作為隔離層，見(jiàn)圖1。

為了跨越隔離層傳輸數字信號，iCoupler把輸入信號編碼成1ns的脈沖序列，兩個(gè)連續脈沖表示一個(gè)上升沿，單個(gè)脈沖表示下降沿。接收器電路對這些脈沖進(jìn)行解碼，并在副邊重新產(chǎn)生上升沿和下降沿。為確保數據完整性和抑制噪聲，大多數iCoupler產(chǎn)品集成輸入抗干擾濾波器，輸入端刷新電路，保證直流信號的正確傳輸。當接收器沒(méi)有檢測到刷新信號時(shí)，接收端的看門(mén)狗電路將被觸發(fā)，確保輸出處于防故障保護狀態(tài)。

圖2：基于A(yíng)DuM1301數字隔離器和DC-DC隔離電源的RS-485收發(fā)器解決方案。

圖2所示即為采用ADuM1301數字隔離器和DC-DC隔離電源的RS-485收發(fā)器解決方案。很明顯，采用該方案在一定程度上提高了電路的集成度，并且隔離性能也較光耦隔離有了很大的提升，但是我們也可以看到，該解決方案仍然需要雙電源供電。

為了增強電路集成度，使隔離更為徹底，ADI還推出了集成DC-DC隔離電源的數字隔離器系列，即采用isoPower的數字隔離器系列。ADI的isoPower技術(shù)將DC/DC轉換器的所有元素，振蕩器、整流器、變壓器驅動(dòng)和線(xiàn)性穩壓器或PWM反饋集成于一體。其中，功率傳輸變壓采用較大尺寸的片上變壓器，而為了實(shí)現較高功率傳輸效率，振蕩器的振蕩頻率高達180MHz，遠高于傳統DC/DC變換器的振蕩頻率。isoPower技術(shù)的實(shí)現，使用戶(hù)在使用中只提供一側電源即可。

對于上述的應用案例，我們可以選用ADI isoPower系列中的ADuM5401產(chǎn)品來(lái)替代DC-DC隔離電源和三個(gè)光耦，從而使PCB空間更加緊湊。

完全集成式iCoupler解決方案

隔離器件的選擇主要有兩個(gè)要求，第一是系統性能要求；第二，就需要考慮空間限制和成本等因素。上面提到的集成DC-DC隔離電源的數字隔離器雖然已經(jīng)能夠滿(mǎn)足大部分的應用要求，但是對于空間限制更為嚴苛的系統，這樣的解決方案仍然有些力不從心。如果設計工程師仍然面對這種設計挑戰，他們可以選擇ADI最新推出的ADM2682E/ ADM2687E，該器件適合于電力、馬達、能源控制系統的高壓電環(huán)境中。

ADM2682E/ ADM2687E是ADI最新推出的首款單芯片5KV RMS信號和電源隔離RS-485收發(fā)器，可配置為全雙工或半雙工。新產(chǎn)品包括1個(gè)3通道隔離器、1個(gè)帶三態(tài)輸出的差分線(xiàn)路驅動(dòng)器和1個(gè)基于A(yíng)DI isoPower隔離式DC/DC轉換器技術(shù)的差分輸入接收器。接收器輸入阻抗允許多達256個(gè)收發(fā)器接入總線(xiàn)，ADM2682E的最高傳輸速率可達16 Mbps。邏輯端兼容3 V／5 V工作電源，總線(xiàn)端5 V供電。RS-485收發(fā)器的電氣隔離數據為1分鐘5000VRMS，符合UL 1577認證要求。

ADM2682E/ ADM2687E驅動(dòng)器是高電位激活，也可以提供低電位激活，只要在不激活狀態(tài)使接收器輸出端進(jìn)入高阻態(tài)即可。該接收器具有短路電流限制和熱關(guān)斷特性，以此來(lái)保護輸出端短路和由總線(xiàn)爭用引起的額外功耗。該芯片采用16引腳的寬體SOIC封裝，額定溫度范圍為-40℃至+85℃工業(yè)溫度范圍，在該范圍內無(wú)需任何分立元件就可實(shí)現RS-485功能。目前，ADM2682E和ADM2687E驅動(dòng)器的隔離標準安全和法規認證正在進(jìn)行中，包括UL(美國保險商實(shí)驗所)、CSA(加拿大標準協(xié)會(huì ))和VDE(德國電氣工程師協(xié)會(huì ))認證。

圖3：基于A(yíng)DM2682E/ ADM2687E全雙工RS-485節點(diǎn)的電路框架圖。

圖3是ADM2682E/ ADM2687E針對全雙工RS485節點(diǎn)的電路框架圖。與分立式競爭產(chǎn)品相比，新款收發(fā)器的器件數量最多可減少80%。器件采用單個(gè)10 mm x 13 mm表貼封裝，最小爬電距離和電氣間隙大于8 mm，占用的電路板面積比通常所用的多個(gè)分立器件少70%。

ADM2682E/ ADM2687E全集成式特性還包括內部集成了熱關(guān)斷電路以保護器件在故障狀況下產(chǎn)生大量的熱量。在滿(mǎn)負載條件下，ADM2682E/ ADM2687E的功耗大約為650mW。為保證ADM2682E/ ADM2687E應用系統的安全性，熱關(guān)斷電路將驅動(dòng)器的輸出短接到低阻抗源可以獲得高的驅動(dòng)器電流。熱感應電路檢測在這個(gè)條件下的硅片溫升，當硅片溫度達到150℃度時(shí)禁止驅動(dòng)器輸出，直到器件冷卻到140℃在再重新啟動(dòng)。隔離器不可能采用散熱片，因此為保證器件穩定安全運行，其散熱主要依賴(lài)于通過(guò)GND管腳到PCB的覆銅進(jìn)行散熱。

本文小結：

iCoupler技術(shù)一直引領(lǐng)全球隔離技術(shù)的發(fā)展，提供了隔離與創(chuàng )新特性，采用單封裝，是業(yè)界種類(lèi)最齊全的隔離器產(chǎn)品，包括標準數字隔離器、采用isoPower的數字隔離器、集成PWM控制器和變壓器驅動(dòng)器的數字隔離器、USB 2.0兼容型隔離器、隔離式門(mén)驅動(dòng)器、隔離式I2C數字隔離器、隔離式RS-485收發(fā)器、隔離式RS-232器件和隔離式Σ-?型ADC。因此，幾乎任何應用都可以找到合適的iCoupler產(chǎn)品來(lái)滿(mǎn)足您的設計需求。

今年年初，ADI為西門(mén)子航空航天業(yè)務(wù)集團的PowerSCOE系統提供了其高度集成的iCoupler數字隔離解決方案。作為一個(gè)先進(jìn)的衛星電源保護系統，當衛星出現異常時(shí)，它能在幾微秒內關(guān)閉衛星中的數千瓦電源。西門(mén)子航空航天業(yè)務(wù)集團設計該系統時(shí)還考慮到其它技術(shù)，如智能電網(wǎng)電力監控等，但由于每個(gè)通道都包含輔助模擬輸入及數字和模擬輸出，因此最大的挑戰是要確保100個(gè)通道彼此隔離。PCB上有100多路模擬和數字I/O，面對如此高的PCB密度，傳統的光耦合器和DC/DC轉換器解決方案已無(wú)能為力。最終ADI高度集成的iCoupler數字隔離器卓越的性能表現獲得西門(mén)子的信賴(lài)，再次驗證了iCoupler技術(shù)的領(lǐng)先優(yōu)勢。