RS-485隔離式數(shù)字接口

本文重點討論符合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，并將提出RS-485共模電壓范圍(CMVR)的定義，解釋應(yīng)怎樣隔離收發(fā)器的訊號和供電通路與本地控制器電路，才能使其承受巨大的共模電壓。

隔離是防止電流在兩個通訊點之間流動，但允許數(shù)據(jù)和功率訊號在其間傳輸?shù)囊环N手段。隔離可防止高電壓對敏感電子組件造成損壞或?qū)θ嗽斐蓚?，另外它還可以透過大的地電位差消除通訊鏈路中的接地回路，來保持訊號完整性。

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)實施隔離?，F(xiàn)在的趨勢是從原來的單信道隔離式系統(tǒng)向利用多信道隔離技術(shù)的應(yīng)用轉(zhuǎn)變，由此產(chǎn)生了新型隔離組件。這些應(yīng)用中有許多涉及電信、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。

本文重點討論符合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，并將提出RS-485共模電壓范圍(CMVR)的定義，解釋應(yīng)怎樣隔離收發(fā)器的訊號和供電通路與本地控制器電路，才能使其承受巨大的共模電壓。最后，本文將介紹一種基于巨磁阻(GMR)技術(shù)的新型RS-485隔離器，并討論其相對于其他隔離技術(shù)的優(yōu)點。

共模電壓范圍

RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的共模電壓范圍為-7V~+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)的差分訊號，并抑制共模分量。這透過等量減弱共模和差分訊號的內(nèi)部分壓器來實現(xiàn)(圖2)，然后用差分比較器在兩個減弱輸入訊號之間建立壓差，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~+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 V)，則需要插入電流隔離勢壘(galvanic isolaon 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)

隔離擴(kuò)大CMVR

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。對于電源埠，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)路徑隔離透過數(shù)字訊號隔離器(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。

因為電流總是返回電源，所以接收器的隔離電源軌與驅(qū)動器的非隔離電源軌之間不會相互影響。

圖3 隔離式RS-485數(shù)據(jù)鏈路的VCM

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(GPD)，如同訊號對導(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)點的共模等效電路解釋了這種設(shè)計。因為隔離勢壘的巨大電阻(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。

圖4 RISO上的VCM壓降

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)射和接收啟用訊號。

圖5 隔離式RS-485總線節(jié)點

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

圖6 隔離式多點總線

最新的RS-485隔離方法將隔離器與收發(fā)器功能整合在一個芯片中，在總線節(jié)點設(shè)計顯著節(jié)省了空間。圖7中的ISL32704E隔離器采用的是GMR技術(shù)，這可實現(xiàn)最小但最穩(wěn)健的隔離結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步實現(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4TImes;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，該組件已通過UL和VDE認(rèn)證。

圖8顯示GMR隔離器的工作原理。其中，緩沖輸入訊號驅(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(Wheatstone bridge)，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，該比較器的輸出訊號的相位和形狀與輸入訊號完全相同。

圖8 單通道GMR隔離器

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。

圖9 多層GMR電阻器

電容性和磁性隔離器必須使用RF載波或脈沖寬度調(diào)變(PWM)來穿過勢壘傳送DC和低頻訊號，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，因為其訊號傳輸幾乎不消耗能量。以上因素不僅可以使電流消耗顯著降低(表1)，還使發(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

結(jié)論

GMR不只是一種普通的隔離技術(shù)，而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奈秒(ns)級范圍之內(nèi)。ISL32704E數(shù)據(jù)表中規(guī)定的ns 級傳播延遲主要歸功于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。