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

 

作為大家熟悉的一種長距離串行通信總線技術(shù)，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(wǎng)絡(luò)、智能低壓配電系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)(PIS)等應(yīng)用，都會看到它們的身影。事實(shí)上，RS-485總線網(wǎng)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(shè)，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(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，即通常采用一條總線將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串聯(lián)起來，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(dǎo)致傳輸線上的多個(gè)RS-485收發(fā)器損壞。

 

此外，由于RS-485網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)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(fù)面影響。當(dāng)這類現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，遠(yuǎn)端系統(tǒng)期望獲得的邏輯電平開關(guān)信號，就會被迭加在一個(gè)參考其本地

 

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(zhuǎn)換的缺點(diǎn)，包括功耗過大、較大的時(shí)序誤差和數(shù)據(jù)速率受限等。事實(shí)上，由于無需驅(qū)動LED的外部電路，iCoupler數(shù)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(xiàn)數(shù)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圈之間，采用厚達(dá)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(shù)字信號，iCoupler把輸入信號編碼成1ns的脈沖序列，兩個(gè)連續(xù)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(shù)據(jù)完整性和抑制噪聲，大多數(shù)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(dāng)接收器沒有檢測到刷新信號時(shí)，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(hù)狀態(tài)。

 

 

圖2所示即為采用ADuM1301數(shù)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(qiáng)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(shù)字隔離器系列，即采用isoPower的數(shù)字隔離器系列。ADI的isoPower技術(shù)將DC/DC轉(zhuǎn)換器的所有元素，振蕩器、整流器、變壓器驅(qū)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(shí)現(xiàn)較高功率傳輸效率，振蕩器的振蕩頻率高達(dá)180MHz，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)DC/DC變換器的振蕩頻率。isoPower技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，使用戶在使用中只提供一側(cè)電源即可。

 

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

 

隔離器件的選擇主要有兩個(gè)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(shù)字隔離器雖然已經(jīng)能夠滿足大部分的應(yīng)用要求，但是對于空間限制更為嚴(yán)苛的系統(tǒng)，這樣的解決方案仍然有些力不從心。如果設(shè)計(jì)工程師仍然面對這種設(shè)計(jì)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(dá)、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(chǎn)品包括1個(gè)3通道隔離器、1個(gè)帶三態(tài)輸出的差分線路驅(qū)動器和1個(gè)基于ADI isoPower隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)的差分輸入接收器。接收器輸入阻抗允許多達(dá)256個(gè)收發(fā)器接入總線，ADM2682E的最高傳輸速率可達(dá)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(shù)據(jù)為1分鐘5000VRMS，符合UL 1577認(rèn)證要求。

 

ADM2682E/ ADM2687E驅(qū)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(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，以此來保護(hù)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(nèi)無需任何分立元件就可實(shí)現(xiàn)RS-485功能。目前，ADM2682E和ADM2687E驅(qū)動器的隔離標(biāo)準(zhǔn)安全和法規(guī)認(rèn)證正在進(jìn)行中，包括UL(美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)所)、CSA(加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會)和VDE(德國電氣工程師協(xié)會)認(rèn)證。

 

圖3是ADM2682E/ ADM2687E針對全雙工RS485節(jié)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(shù)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(nèi)部集成了熱關(guān)斷電路以保護(hù)器件在故障狀況下產(chǎn)生大量的熱量。在滿負(fù)載條件下，ADM2682E/ ADM2687E的功耗大約為650mW。為保證ADM2682E/ ADM2687E應(yīng)用系統(tǒng)的安全性，熱關(guān)斷電路將驅(qū)動器的輸出短接到低阻抗源可以獲得高的驅(qū)動器電流。熱感應(yīng)電路檢測在這個(gè)條件下的硅片溫升，當(dāng)硅片溫度達(dá)到150℃度時(shí)禁止驅(qū)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(yùn)行，其散熱主要依賴于通過GND管腳到PCB的覆銅進(jìn)行散熱。

 

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)界種類最齊全的隔離器產(chǎn)品，包括標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器、采用isoPower的數(shù)字隔離器、集成PWM控制器和變壓器驅(qū)動器的數(shù)字隔離器、USB 2.0兼容型隔離器、隔離式門驅(qū)動器、隔離式I²C數(shù)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(yīng)用都可以找到合適的iCoupler產(chǎn)品來滿足您的設(shè)計(jì)需求。

 

今年年初，ADI為西門子航空航天業(yè)務(wù)集團(tuán)的PowerSCOE系統(tǒng)提供了其高度集成的iCoupler數(shù)字隔離解決方案。作為一個(gè)先進(jìn)的衛(wèi)星電源保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)異常時(shí)，它能在幾微秒內(nèi)關(guān)閉衛(wèi)星中的數(shù)千瓦電源。西門子航空航天業(yè)務(wù)集團(tuán)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)還考慮到其它技術(shù)，如智能電網(wǎng)電力監(jiān)控等，但由于每個(gè)通道都包含輔助模擬輸入及數(shù)字和模擬輸出，因此最大的挑戰(zhàn)是要確保100個(gè)通道彼此隔離。PCB上有100多路模擬和數(shù)字I/O，面對如此高的PCB密度，傳統(tǒng)的光耦合器和DC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案已無能為力。最終ADI高度集成的iCoupler數(shù)字隔離器卓越的性能表現(xiàn)獲得西門子的信賴，再次驗(yàn)證了iCoupler技術(shù)的領(lǐng)先優(yōu)勢。