解析基于iCoupler技術的全集成式RS-485系統(tǒng)隔離解

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

此外，由于RS-485網絡鋪設距離長，而且連接多種系統(tǒng)，因此特別容易受到失控電壓和電流所帶來的負面影響。當這類現(xiàn)象發(fā)生時，遠端系統(tǒng)期望獲得的邏輯電平開關信號，就會被迭加在一個參考其本地

iCoupler技術是基于芯片尺寸的變壓器，每個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，包括功耗過大、較大的時序誤差和數據速率受限等。事實上，由于無需驅動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隔離變壓器可實現(xiàn)數千伏的隔離，其高耐壓的關鍵性，在于發(fā)送和接受變壓器的頂層和底層線圈之間，采用厚達20微米的聚酰亞胺材料作為隔離層，見圖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，兩個連續(xù)脈沖表示一個上升沿，單個脈沖表示下降沿。接收器電路對這些脈沖進行解碼，并在副邊重新產生上升沿和下降沿。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。當接收器沒有檢測到刷新信號時，接收端的看門狗電路將被觸發(fā)，確保輸出處于防故障保護狀態(tài)。

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技術將DC/DC轉換器的所有元素，振蕩器、整流器、變壓器驅動和線性穩(wěn)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，而為了實現(xiàn)較高功率傳輸效率，振蕩器的振蕩頻率高達180MHz，遠高于傳統(tǒng)DC/DC變換器的振蕩頻率。isoPower技術的實現(xiàn)，使用戶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產品來替代DC-DC隔離電源和三個光耦，從而使PCB空間更加緊湊。

隔離器件的選擇主要有兩個要求，第一是系統(tǒng)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能夠滿足大部分的應用要求，但是對于空間限制更為嚴苛的系統(tǒng)，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(zhàn)，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(tǒng)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。新產品包括1個3通道隔離器、1個帶三態(tài)輸出的差分線路驅動器和1個基于ADI isoPower隔離式DC/DC轉換器技術的差分輸入接收器。接收器輸入阻抗允許多達256個收發(fā)器接入總線，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)使接收器輸出端進入高阻態(tài)即可。該接收器具有短路電流限制和熱關斷特性，以此來保護輸出端短路和由總線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，在該范圍內無需任何分立元件就可實現(xiàn)RS-485功能。目前，ADM2682E和ADM2687E驅動器的隔離標準安全和法規(guī)認證正在進行中，包括UL(美國保險商實驗所)、CSA(加拿大標準協(xié)會)和VDE(德國電氣工程師協(xié)會)認證。

圖3是ADM2682E/ ADM2687E針對全雙工RS485節(jié)點的電路框架圖。與分立式競爭產品相比，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分立器件少70%。

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

iCoupler技術一直引領全球隔離技術的發(fā)展，提供了隔離與創(chuàng)新特性，采用單封裝，是業(yè)界種類最齊全的隔離器產品，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器的數字隔離器、USB 2.0兼容型隔離器、隔離式門驅動器、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產品來滿足您的設計需求。

今年年初，ADI為西門子航空航天業(yè)務集團的PowerSCOE系統(tǒng)提供了其高度集成的iCoupler數字隔離解決方案。作為一個先進的衛(wèi)星電源保護系統(tǒng)，當衛(wèi)星出現(xiàn)異常時，它能在幾微秒內關閉衛(wèi)星中的數千瓦電源。西門子航空航天業(yè)務集團設計該系統(tǒng)時還考慮到其它技術，如智能電網電力監(jiān)控等，但由于每個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(zhàn)是要確保100個通道彼此隔離。PCB上有100多路模擬和數字I/O，面對如此高的PCB密度，傳統(tǒng)的光耦合器和DC/DC轉換器解決方案已無能為力。最終ADI高度集成的iCoupler數字隔離器卓越的性能表現(xiàn)獲得西門子的信賴，再次驗證了iCoupler技術的領先優(yōu)勢。