隔離是防止電流在兩個通信點(diǎn)之間流動、但允許數(shù)據(jù)和功率信號在其間傳輸?shù)囊环N手段。隔離可防止高電壓對敏感電子元件造成損壞或?qū)θ嗽斐蓚ΑＡ硗馑€可以通過大的地電位差消除通信鏈路中的接地回路，以保持信號完整性。

 

過去十年法規(guī)發(fā)生了變化，要求在惡劣環(huán)境中運(yùn)行的機(jī)器和設(shè)備對其數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實(shí)施隔離。現(xiàn)在的趨勢是從原來的單通道隔離式系統(tǒng)向利用多通道隔離技術(shù)的應(yīng)用轉(zhuǎn)變，由此產(chǎn)生了新型隔離器件。這些應(yīng)用中有許多涉及電信和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療系統(tǒng)、傳感器接口、電機(jī)控制和驅(qū)動系統(tǒng)以及儀表中的數(shù)據(jù)傳輸。

 

本文將重點(diǎn)討論符合RS-485標(biāo)準(zhǔn)（目前仍是業(yè)內(nèi)最主要的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)）的隔離式數(shù)字接口。我們會給出RS-485共模電壓范圍（CMVR）的定義，并解釋應(yīng)怎樣將收發(fā)器的信號和供電通路與本地控制器電路隔離開來，才能使其承受巨大的共模電壓。最后，我們將介紹一種基于巨磁阻（GMR）技術(shù)的新型RS-485隔離器，并討論其相對于其它隔離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

 

 

RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的共模電壓范圍為-7V至+12V。圖1顯示了該范圍，包括驅(qū)動器輸出共模電壓（VOC）、驅(qū)動器和接收器地線（GPD）間的接地電位差和縱向耦合噪聲（VN）。

 

圖1：非隔離式RS-485數(shù)據(jù)鏈路中的VCM：VCM = VOC + GPD + VN。

 

驅(qū)動器用于產(chǎn)生圍繞共模分量VCM = VCC/2的對稱差分輸出（VD），使得在一個輸出端的線路電壓VA = VCC/2 ± VD/2，在互補(bǔ)輸出端的電壓VB = VCC/2 ? VD/2。

 

接收器僅處理規(guī)定CMVR范圍內(nèi)的差分信號，并抑制共模分量。這通過等量減弱共模和差分信號的內(nèi)部分壓器來實(shí)現(xiàn)（圖2）。然后用差分比較器在兩個減弱輸入信號之間建立壓差，從而只放大差分分量。 分壓器代表每個接收器輸入和接收器地線之間的共模電阻（RCM），所以數(shù)據(jù)鏈路的整個共模電壓會在這些電阻上下降。這意味著對于標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)器，其接收器必須準(zhǔn)確地檢測整個CMVR范圍（-7V至+12V）內(nèi)的差分輸入電壓。

 

為適應(yīng)較高的共模電壓（VCM），如±25V，收發(fā)器總線I/O級經(jīng)過重新設(shè)計，使驅(qū)動器輸出晶體管具有較高的峰值電壓，接收器分壓器具有較高的分壓比，這就需要更高的電阻值。

 

對于非常高的共模電壓（如幾百伏），則需要插入電流隔離勢壘（galvanic isolation barrier），以消除收發(fā)器總線端子上的高電壓。

 

圖2：接收器等效電路圖（a），其共模表示（b）和進(jìn)一步簡化的VCM等效電路（c）。

 

 

圖3所示為隔離式數(shù)據(jù)鏈路，僅接收器與其本地控制器隔離。正確的電流隔離必須包括電源和數(shù)據(jù)線路。對于電源端口，隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器可將以大地為參考的微控制器電源軌VCC2和GND2轉(zhuǎn)換為收發(fā)器的隔離浮動電源軌VCC2-ISO和GND2-ISO。

 

數(shù)據(jù)路徑隔離通過數(shù)字信號隔離器（ISO）提供，隔離器的總線側(cè)由VCC2-ISO和GND2-ISO供電，隔離器的控制器側(cè)由VCC2和GND2供電。 因?yàn)殡娏骺偸欠祷仉娫矗越邮掌鞯母綦x電源軌與驅(qū)動器的非隔離電源軌之間無相互影響。

 

圖3：隔離式RS-485數(shù)據(jù)鏈路的VCM。

 

圖4：RISO上的VCM壓降。

 

圖3清楚地顯示了以大地為參考的地線GND1與GND2之間仍然存在接地電位差，如同信號對導(dǎo)體與GND2之間的共模電壓一樣。然而，隔離勢壘已將接收器地線與GND2解耦，從而將其轉(zhuǎn)換為浮動地線（GND2-ISO）。

 

圖4的隔離式接收器節(jié)點(diǎn)的共模等效電路解釋了這種設(shè)計。因?yàn)楦綦x勢壘的巨大電阻（RISO = 1014Ω）是與阻值小很多的接收器共模電阻（RCM = 105Ω）串聯(lián)，整個VCM在RISO上實(shí)現(xiàn)了壓降，消除了接收器上的共模影響（VRcm = 0V）。另外，GND2-ISO電位可跟蹤接收器輸入電壓，因此無需擔(dān)心超出接收器的最大輸入電壓（相對于接收器地線）。由于VCC2-ISO還以GND2-ISO為參考，所以無論共模電壓水平如何，隔離式接收器上的供電電壓值都會保持在合適水平。

 

請注意，圖3和圖4顯示了僅對接收器（Rx）數(shù)據(jù)路徑的隔離。隔離式RS-485節(jié)點(diǎn)需要四個通道（圖5）來處理發(fā)射和接收數(shù)據(jù)路徑，以及發(fā)射和接收啟用信號。

 

圖5：隔離式RS-485總線節(jié)點(diǎn)。

 

在點(diǎn)對點(diǎn)連接中，為防止接地回路，只隔離一個節(jié)點(diǎn)（另一個節(jié)點(diǎn)不隔離）已經(jīng)足夠。但在多點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈路中，常見做法是隔離所有總線節(jié)點(diǎn)，以重復(fù)利用電路節(jié)點(diǎn)設(shè)計，簡化PCB生產(chǎn)。圖6是隔離式多點(diǎn)總線的示例。

 

圖6：隔離式多點(diǎn)總線。

 

最新的RS-485隔離方法將隔離器與收發(fā)器功能整合到一個芯片中，在總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計中顯著節(jié)省了空間。圖7中的ISL32704E隔離器采用的是GMR技術(shù)，這可實(shí)現(xiàn)最小但最穩(wěn)健的隔離結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計。

 

圖7：4Mbps、2.5kV RS-485隔離器。

 

例如，利用優(yōu)化的布局和設(shè)計技術(shù)能夠制造圖7所示的4 x 5mm隔離器QSOP封裝，并在44000年勢壘壽命期間維持600V的巨大工作電壓。這比提供2.5kV功能隔離的競爭技術(shù)的400V工作電壓高了一半。另外，該器件已通過UL和VDE認(rèn)證。

 

圖8顯示了GMR隔離器的工作原理。其中，緩沖輸入信號驅(qū)動主線圈，線圈產(chǎn)生的磁場可改變GMR電阻器1-4的阻值。GMR1至GMR4形成惠斯通電橋，產(chǎn)生僅對主線圈磁場變化做出反應(yīng)的電橋輸出電壓。不過，大的外部磁場被視為共模場，并因此被電橋配置抑制。電橋輸出被饋入比較器，該比較器的輸出信號的相位和形狀與輸入信號完全相同。

 

圖8：單通道GMR隔離器。

 

圖9：多層GMR電阻器。

 

圖9描述了單個GMR電阻器的功能。該電阻器由鐵磁合金層B1和B2、以及夾于其間的超薄非磁性導(dǎo)電中間層A（通常為銅）組成。根據(jù)GMR的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在沒有磁場的情況下，B1和B2中的磁矩朝向相反的方向，使重電子散射在A層上，從而大幅增加其對電流I的電阻。當(dāng)施加磁場H時，B1和B2中的磁矩對齊，從而減輕電子散射現(xiàn)象。這會降低A層的電阻并增加電流。

 

電容性和磁性隔離器必須使用RF載波或脈沖寬度調(diào)制（PWM）來穿過勢壘傳送DC和低頻信號，GMR隔離器則無需此類復(fù)雜的編碼。它們也不包含會消耗極大電流的電力輸送線圈或變壓器，因?yàn)槠湫盘杺鬏攷缀醪幌哪芰俊Ｒ陨弦蛩夭粌H可以使電流消耗顯著降低（表1），還使得發(fā)射光譜的輻射低到幾乎檢測不到（圖10）。此外，由于GMR隔離器沒有RF載波的脈沖列干擾，其EMI非常低。

 

表1：供電電流隨數(shù)據(jù)速率的增加而增加。

 

圖10：幾乎檢測不到GMR隔離器輻射。

 

 

GMR不只是一種普通的隔離技術(shù)，更是用于高速和超高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的隔離技術(shù)。其幾乎無需能量的信息傳輸和微小的外形可保證勢壘傳播時間在亞納秒級范圍之內(nèi)。ISL32704E數(shù)據(jù)表中規(guī)定的納秒級傳播延遲主要?dú)w功于I/O緩沖器和收發(fā)器。

 

GMR隔離器并不取代光隔離器（適合DC至1Mbps應(yīng)用），而是在高和超高頻率應(yīng)用中提供補(bǔ)充隔離功能。GMR隔離器是唯一能夠抵抗單粒子效應(yīng)和電離總劑量輻射的隔離器，因此還適于航天和軍工應(yīng)用。

 

作者：Thomas Kugelstadt，Intersil公司

 

本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計。