隔離式RS-485光耦合器設(shè)計(jì)的隱藏成本

光耦合器，也稱(chēng)為光隔離器或光電耦合器，其已被用于實(shí)現(xiàn)電子電路電流隔離超過(guò)40年。光耦合器使用LED和光電晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)通信，而無(wú)需傳輸電流。作為一種低成本的解決方案，光耦合器一直很受歡迎。但考慮到數(shù)字隔離技術(shù)的進(jìn)步，光耦合器真的是實(shí)現(xiàn)RS-485系統(tǒng)電流隔離的最具成本效益的方法嗎？

圖1所示為隔離式RS-485收發(fā)器使用光耦合器實(shí)現(xiàn)電流隔離的典型電路。該解決方案共需要三個(gè)光耦合器：兩個(gè)高速光耦合器（每個(gè)用于發(fā)送和接收信號(hào)）以及一個(gè)用于方向控制的低速光耦合器。該解決方案還需要大量外部元件，包括施密特緩沖器、施密特觸發(fā)器、電阻器和旁路電容器。所有這些組件都會(huì)增加成本和電路板面積。

圖 1：采用光耦合器的隔離式RS-485設(shè)計(jì)

當(dāng)今許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在各類(lèi)工業(yè)市場(chǎng)中遇到了電路板空間限制的問(wèn)題，因?yàn)樗麄兊哪繕?biāo)是在每一代新產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)更小的整體解決方案尺寸或增強(qiáng)功能。其中一個(gè)示例是調(diào)節(jié)樓宇中的溫度和氣流的暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)。隨著智能節(jié)能樓宇的發(fā)展趨勢(shì)，新型HVAC控制板需要能夠?qū)⑾冗M(jìn)的監(jiān)控和接口與智能恒溫系統(tǒng)相結(jié)合，而不增加整體解決方案的尺寸。.

優(yōu)化隔離的RS-485設(shè)計(jì)

RS-485是這些系統(tǒng)中的通用通信接口，因?yàn)樗哂虚L(zhǎng)距離可靠性。當(dāng)RS-485節(jié)點(diǎn)置于具有不同接地電位的位置時(shí)，共模噪聲會(huì)導(dǎo)致通信故障，因此需要隔離以防止這些地電位差異。使用龐大的光耦合器解決方案隔離RS-485使設(shè)計(jì)人員只在系統(tǒng)的其他方面做出妥協(xié)，因此出現(xiàn)了對(duì)更小的隔離接口解決方案的需求。

除大尺寸解決方案外，許多設(shè)計(jì)人員還會(huì)遇到光耦合器的這些性能問(wèn)題：

?可靠性。光耦合器通常使用環(huán)氧樹(shù)脂作為電介質(zhì)；與其他常見(jiàn)電介質(zhì)相比，環(huán)氧樹(shù)脂在較低電壓下會(huì)發(fā)生擊穿，如圖2所示。組件不一致和LED劣化也會(huì)導(dǎo)致器件到器件在隔離可靠性和壽命方面的差異。

絕緣材料介電強(qiáng)度

空氣~1 Vrms/μm

環(huán)氧樹(shù)脂~20 Vrms/μm

二氧化硅填充模具化合物~100 Vrms/μm

聚酰亞胺~300 Vrms/μm

SiO2~500 Vrms/μm

圖 2：普通絕緣體材料的介電強(qiáng)度

?能耗：每個(gè)光耦合器需要5-10 mA才能驅(qū)動(dòng)內(nèi)部輸入芯片上的LED。

?溫度范圍：光耦合器大多限于承受85°C的最高環(huán)境溫度，極少數(shù)例外情況下能承受高達(dá)105°C的溫度。

?開(kāi)關(guān)規(guī)格：光耦合器的上升/下降時(shí)間和傳播延遲隨著偏置電流、電流傳輸比和器件到器件的變化而變化。

?噪音抗擾度光耦合器的典型共模瞬變抗擾度范圍為15 kV/μs至25 kV/μs。在高于此電平的電壓瞬變的情況下，很可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)損壞。

為滿足日益增長(zhǎng)的緊湊型解決方案需求且不影響性能，德州儀器開(kāi)發(fā)了ISO1500隔離式RS-485收發(fā)器。圖3與圖1所示的光耦合器解決方案的尺寸進(jìn)行了比較，這是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的16引腳小外形集成電路（SOIC）隔離RS-485收發(fā)器和ISO1500。請(qǐng)注意，這些設(shè)計(jì)僅顯示RS-485收發(fā)器的信號(hào)隔離。應(yīng)用手冊(cè)，“如何隔離RS-485系統(tǒng)的信號(hào)和電源”， 為RS-485系統(tǒng)中的隔離電源提供了有用概述。

圖 3：光耦合器解決方案之間的解決方案尺寸比較（a）；業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的16引腳SOIC隔離式RS-485收發(fā)器（b）；和德州儀器的ISO1500 (c)

與分立式光耦合器解決方案相比，ISO1500可減少多達(dá)85％的電路板空間，與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的16引腳SOIC封裝相比，可節(jié)省多達(dá)50％的電路板空間。除了最小化解決方案尺寸外，ISO1500還解決了上面提到的許多性能問(wèn)題。所有德州儀器隔離式RS-485收發(fā)器均采用半導(dǎo)體制造工藝制造，使用二氧化硅作為電介質(zhì)，以最大限度地減少器件之間的差異，并提供更可靠的高壓性能。ISO1500消耗<10μA的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體的輸入，可在-40°C至125°C的溫度范圍內(nèi)使用。與傳統(tǒng)光耦合器相比，具有可預(yù)測(cè)的開(kāi)關(guān)規(guī)格和更高的抗噪性。當(dāng)您將這些系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)與使用ISO1500所節(jié)省的電路板空間優(yōu)勢(shì)相結(jié)合時(shí)，很明顯，光耦合器的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于僅為器件支付的價(jià)格。