很多情況下，額外通信不需要高速

，因此設計人員便從認證器件列表上選用幾個光耦合器
，而不再使用SPI所需的高速數字隔離器。但是，光耦合器不如數字隔離器那麼容易設計
，尤其是簡單的低速光耦合器。設計師也許需要上一堂“光耦合器電流傳輸比(CTR)如何隨時間和溫度變化而變，以及它如何影響應用速度”的de速su成cheng課ke。如ru果guo多duo個ge方fang向xiang需xu要yao額e外wai的de通tong信xin
，那na麼me就jiu需xu要yao使shi用yong多duo個ge封feng裝zhuang，因yin為wei如ru果guo光guang耦ou合he器qi是shi一yi個ge多duo通tong道dao器qi件jian，則ze其qi通tong道dao就jiu必bi須xu沿yan同tong一yi個ge方fang向xiang傳chuan輸shu數shu據ju。隨sui著zhe設she計ji的de逐zhu步bu展zhan開kai，尺chi寸cun
、成本和時間投入便會快速增加。

 

 

使用四通道高速數字或光學隔離可輕鬆隔離SPI總線。四通道數字隔離器能以緊湊的尺寸實現隔離，且通常支持5 MHz至10 MHz SPI時鍾速率。無論基於集成式微變壓器

、電容或光耦合器
，都需要跨越隔離柵傳輸信號。在電流隔離技術中，有兩種主要的編碼方案可以耦合輸入信號：邊沿編碼和電平編碼。電平編碼方案允許采用傳播延遲較低的隔離器，並且一般而言空閑時的功耗更高，時序性能(抖動和PWM)較差。另一方麵
，邊沿編碼方案功耗較低，且時序性能較好。然而，很多基於邊沿的部署具有較長的傳播延遲，從而限製了SPI總線的時鍾速度。我們將探索消除這種限製以及實現極高性能SPI總線隔離的技巧。

 

在邊沿編碼方案中，輸入數字轉換跨越隔離柵進行編碼。然後，通過解碼這些轉換信號

，在輸出端再現數字輸入。圖1中的示例波形(A類)顯示如何對輸入邊沿進行差分編碼。上升和下降輸入轉換分別編碼為窄正脈衝和負脈衝。

 

隻zhi要yao數shu字zi輸shu入ru正zheng在zai切qie換huan

，信xin號hao就jiu會hui正zheng常chang傳chuan輸shu


，但dan如ru果guo發fa生sheng輸shu入ru至zhi輸shu出chu直zhi流liu電dian平ping失shi配pei，則ze失shi配pei會hui一yi直zhi存cun在zai，除chu非fei對dui其qi進jin行xing校xiao正zheng。這zhe在zai數shu據ju通tong道dao空kong閑xian時shi上shang電dian最zui為wei明ming顯xian
；無wu信xin號hao跨kua越yue隔ge離li柵zha進jin行xing輸shu入ru引yin腳jiao直zhi流liu狀zhuang態tai通tong信xin，且qie邊bian沿yan傳chuan輸shu前qian啟qi動dong狀zhuang態tai可ke能neng不bu匹pi配pei輸shu入ru數shu據ju。為wei了le解jie決jue這zhe個ge問wen題ti，邊bian沿yan編bian碼ma方fang案an采cai用yong了le某mou種zhong形xing式shi的de“刷新”電路，確保在輸出端進行直流校正。在輸入靜止的預設時間(TREFRESH)之後，通過周期性跨越隔離柵傳輸最後一次轉換可實現刷新。圖1還顯示了示例邊沿編碼方案中的刷新(B類波形)。

 

圖1. 跨越隔離柵的編碼波形示例。A類和B類分別為帶與不帶刷新信號的編碼波形。

 

在zai該gai波bo形xing上shang，哪na怕pa輸shu入ru信xin號hao未wei在zai上shang升sheng沿yan和he下xia降jiang沿yan之zhi間jian轉zhuan換huan
，多duo個ge編bian碼ma上shang升sheng轉zhuan換huan也ye會hui跨kua越yue隔ge離li柵zha傳chuan輸shu，以yi便bian刷shua新xin接jie收shou器qi狀zhuang態tai並bing確que保bao接jie收shou器qi處chu於yu高gao電dian平ping狀zhuang態tai。顯xian然ran，除chu了le確que保bao上shang電dian時shi具ju有you正zheng確que的de輸shu出chu狀zhuang態tai
，刷shua新xin電dian路lu還hai有you助zhu於yu校xiao正zheng輸shu出chu狀zhuang態tai(若輸出遭破壞並與輸入狀態不同步)。由於編碼數據持續傳輸，該方案產生空閑功耗。由於在邊沿編碼方案中要求刷新，了解該方案固有的時序影響很重要。從圖1中(zhong)的(de)波(bo)形(xing)可(ke)知(zhi)
，輸(shu)入(ru)轉(zhuan)換(huan)和(he)刷(shua)新(xin)信(xin)號(hao)均(jun)通(tong)過(guo)同(tong)樣(yang)的(de)隔(ge)離(li)通(tong)道(dao)傳(chuan)輸(shu)，但(dan)時(shi)間(jian)獨(du)立(li)。輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)完(wan)全(quan)異(yi)步(bu)於(yu)內(nei)部(bu)刷(shua)新(xin)生(sheng)成(cheng)電(dian)路(lu)，因(yin)而(er)刷(shua)新(xin)上(shang)一(yi)次(ci)轉(zhuan)換(huan)傳(chuan)輸(shu)的(de)同(tong)時(shi)可(ke)能(neng)發(fa)生(sheng)輸(shu)入(ru)轉(zhuan)換(huan)。這(zhe)可(ke)能(neng)會(hui)在(zai)接(jie)收(shou)器(qi)端(duan)損(sun)害(hai)時(shi)序(xu)，導(dao)致(zhi)邏(luo)輯(ji)錯(cuo)誤(wu)。為(wei)了(le)避(bi)免(mian)這(zhe)種(zhong)時(shi)序(xu)衝(chong)突(tu)錯(cuo)誤(wu)，會(hui)要(yao)求(qiu)刷(shua)新(xin)電(dian)路(lu)的(de)信(xin)號(hao)路(lu)徑(jing)增(zeng)加(jia)一(yi)定(ding)的(de)“預判”延遲。

 

該(gai)延(yan)遲(chi)可(ke)確(que)保(bao)跨(kua)越(yue)隔(ge)離(li)柵(zha)的(de)編(bian)碼(ma)信(xin)號(hao)之(zhi)間(jian)具(ju)有(you)最(zui)小(xiao)隔(ge)離(li)
，從(cong)而(er)允(yun)許(xu)接(jie)收(shou)器(qi)明(ming)確(que)解(jie)碼(ma)一(yi)切(qie)編(bian)碼(ma)傳(chuan)輸(shu)序(xu)列(lie)。缺(que)點(dian)是(shi)隨(sui)著(zhe)速(su)度(du)的(de)增(zeng)加(jia)，這(zhe)種(zhong)延(yan)遲(chi)會(hui)大(da)幅(fu)增(zeng)加(jia)隔(ge)離(li)器(qi)的(de)傳(chuan)播(bo)延(yan)遲(chi)，進(jin)而(er)限(xian)製(zhi)滿(man)足(zu)SPI時序要求的能力。

 

幸xing運yun的de是shi，這zhe種zhong限xian製zhi是shi可ke以yi解jie決jue的de。如ru果guo輸shu入ru轉zhuan換huan和he刷shua新xin狀zhuang態tai通tong過guo不bu同tong的de隔ge離li元yuan件jian傳chuan輸shu，並bing且qie隨sui後hou在zai輸shu出chu端duan彙hui合he，則ze無wu需xu任ren何he預yu判pan延yan遲chi，且qie伴ban隨sui著zhe時shi序xu性xing能neng的de下xia降jiang。將jiang此ci構gou想xiang擴kuo展zhan至zhi多duo通tong道dao隔ge離li器qi，則ze所suo有you通tong道dao的de刷shua新xin狀zhuang態tai可ke在zai單dan個ge隔ge離li通tong道dao內nei時shi間jian多duo路lu複fu用yong
，然ran後hou解jie複fu用yong並bing與yu相xiang應ying輸shu出chu合he並bing。基ji本ben上shang，輸shu入ru狀zhuang態tai經jing采cai樣yang

、封(feng)裝(zhuang)後(hou)，以(yi)串(chuan)行(xing)方(fang)式(shi)跨(kua)越(yue)隔(ge)離(li)柵(zha)傳(chuan)輸(shu)。接(jie)收(shou)器(qi)持(chi)續(xu)跟(gen)蹤(zong)輸(shu)入(ru)直(zhi)流(liu)狀(zhuang)態(tai)，然(ran)後(hou)根(gen)據(ju)輸(shu)入(ru)保(bao)持(chi)非(fei)活(huo)動(dong)的(de)時(shi)間(jian)決(jue)定(ding)使(shi)用(yong)直(zhi)流(liu)狀(zhuang)態(tai)或(huo)是(shi)最(zui)後(hou)一(yi)次(ci)輸(shu)入(ru)轉(zhuan)換(huan)來(lai)更(geng)新(xin)輸(shu)出(chu)。由(you)於(yu)僅(jin)有(you)一(yi)個(ge)額(e)外(wai)的(de)數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)器(qi)通(tong)道(dao)搭(da)載(zai)全(quan)部(bu)刷(shua)新(xin)狀(zhuang)態(tai)，因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)釋(shi)放(fang)所(suo)有(you)輸(shu)入(ru)通(tong)道(dao)的(de)預(yu)判(pan)延(yan)遲(chi)，並(bing)使(shi)其(qi)僅(jin)搭(da)載(zai)輸(shu)入(ru)開(kai)關(guan)信(xin)息(xi)，從(cong)而(er)大(da)幅(fu)改(gai)善(shan)傳(chuan)播(bo)延(yan)遲(chi)。圖(tu)2顯示了這一構想。

 

圖2. 搭載輸入1和輸入2刷新時間多路複用的專用第三隔離通道功能框圖。

 

ADI SPIsolator?係列高速數字隔離器采用該方案實現SPI通道的極低傳播延遲，從而實現高達17 MHz的高帶寬隔離SPI總zong線xian部bu署shu。額e外wai的de隔ge離li器qi通tong道dao搭da載zai刷shua新xin信xin息xi，並bing通tong過guo將jiang數shu據ju時shi間jian多duo路lu複fu用yong至zhi跨kua越yue隔ge離li柵zha來lai回hui傳chuan輸shu的de數shu據ju包bao中zhong，實shi現xian傳chuan輸shu各ge種zhong其qi他ta低di吞tun吐tu率lv信xin號hao的de額e外wai用yong途tu。這zhe樣yang可ke以yi實shi現xian除chuSPI串行數據位以外的其他通信
，從而獲得功能多樣化且高度集成的隔離式SPI總線。

 

 

SPIsolator產品係列中的部分型號在多路複用刷新通道上集成三個250 kbps輔(fu)助(zhu)數(shu)字(zi)通(tong)道(dao)。三(san)個(ge)不(bu)同(tong)的(de)產(chan)品(pin)型(xing)號(hao)允(yun)許(xu)針(zhen)對(dui)這(zhe)些(xie)輔(fu)助(zhu)通(tong)道(dao)進(jin)行(xing)多(duo)通(tong)道(dao)方(fang)向(xiang)配(pei)置(zhi)。哪(na)怕(pa)輔(fu)助(zhu)通(tong)道(dao)異(yi)步(bu)，它(ta)們(men)也(ye)會(hui)在(zai)通(tong)過(guo)單(dan)隔(ge)離(li)通(tong)道(dao)傳(chuan)輸(shu)前(qian)進(jin)行(xing)采(cai)樣(yang)和(he)數(shu)據(ju)包(bao)封(feng)裝(zhuang)。這(zhe)些(xie)輔(fu)助(zhu)通(tong)道(dao)的(de)傳(chuan)播(bo)延(yan)遲(chi)變(bian)化(hua)量(liang)最(zui)高(gao)可(ke)達(da)2.6 μs，jutiqujueyutongdaoshuruheshigenjuneibucaiyangshizhongqiehuan。duiyibufuzhuxinhaojinxingcaiyanghechuanxinghuahainengjiangqiyuneibucaiyangshizhongtongbu。ruguomanxinhaozhijianjuyoujingquedeshixuhenzhongyao，namezhekenengdaozhishixuwenti，duiyu1.2 μs或更短時間窗口內的精度而言更是如此。幸運的是
，典型SPI總線周圍僅有極少數輔助信號之間要求具備如此精確的時序關係。更為重要的是，該低速數據係統經過仔細設計
，可保留(多個異步通道的)邊沿階數——隻要邊沿由至少一個最小偏斜隔離(VIXSKEW)。換言之
，如果某個邊沿在輸入端超前另一個邊沿，則隔離器不會反轉階數。

 

 

圖3. 采用多種技術實現補充功能的典型SPI應用。

 

圖3是一個典型SPI應用，該應用要求1 MHz SCLK
、四線式SPI以及三個用於中斷

、電源良好和複位的額外信號。低速通道可能僅需40 μs傳(chuan)播(bo)延(yan)遲(chi)。選(xuan)擇(ze)這(zhe)些(xie)參(can)數(shu)

，以(yi)便(bian)檢(jian)查(zha)所(suo)有(you)元(yuan)器(qi)件(jian)選(xuan)項(xiang)。時(shi)序(xu)處(chu)於(yu)所(suo)有(you)主(zhu)要(yao)類(lei)型(xing)隔(ge)離(li)器(qi)的(de)能(neng)力(li)範(fan)圍(wei)內(nei)
，因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)獨(du)立(li)於(yu)性(xing)能(neng)之(zhi)外(wai)比(bi)較(jiao)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)尺(chi)寸(cun)與(yu)成(cheng)本(ben)的(de)集(ji)成(cheng)效(xiao)應(ying)。以(yi)下(xia)提(ti)供(gong)部(bu)分(fen)實(shi)施(shi)選(xuan)項(xiang)：

 

1) 使用全部光耦合器

2) 針對慢信號通道的SPI和光耦合器使用數字隔離器

3) 使用全集成式數字隔離器，比如ADI SPIsolator

 

就原理圖而言，這些解決方案大致相似。然而，如果仔細看圖4的話，可以發現IC如何在PCB上布局。紅框大致框出了隔離元器件所需的範圍，以及允許放置無源器件的位置。

 

yihunhesuduguangouheqijiejuefanganweijizhun，henduoshejirenyuanhuishitujiangbiaozhunshuzigeliqiyuchengbenjidideguangouheqizuhe，bingyiweinajiushixingjiabizuigaodedisuxinhaocaiyangshixianfangfa。jiejuefanganzhijianhendayibufendechayishiyinweishuzigeliqiyunxuzaidangefengzhuangneihunhetongdaofangxiang
，bimianledaliangdefengzhuangkaixiao。hunhejishujiejuefangankenengjuyoujiaogaodexingjiabi，danewaixishengleshejishijian，bingchanshengwendingxingwenti。lianjiadeguangouheqisuduhenman，qieyouyujiegoujiandanerxuyaoxiyanjiukaoliangcainengchenggongwanchengsheji。bixufeichangzaixiquebaotamensuishijianhewendubianhuadewendingxing
，tongshijinkenengjiangdigonghao。

 

從光耦合器解決方案轉為完全集成式解決方案(比如ADI ADuM3152 SPIsolator的集成式解決方案內置通道間速度差和脈衝階數反轉保護功能

，無設計開銷
、無(wu)需(xu)占(zhan)用(yong)額(e)外(wai)的(de)電(dian)路(lu)板(ban)空(kong)間(jian)。集(ji)成(cheng)式(shi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)低(di)速(su)通(tong)道(dao)還(hai)支(zhi)持(chi)遠(yuan)高(gao)於(yu)單(dan)個(ge)晶(jing)體(ti)管(guan)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)的(de)數(shu)據(ju)速(su)率(lv)。集(ji)成(cheng)式(shi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)成(cheng)本(ben)遠(yuan)低(di)於(yu)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)一(yi)半(ban)

，並(bing)且(qie)相(xiang)比(bi)分(fen)立(li)式(shi)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)每(mei)通(tong)道(dao)具(ju)有(you)更(geng)低(di)的(de)低(di)速(su)通(tong)道(dao)成(cheng)本(ben)。考(kao)慮(lv)到(dao)SPI性能，則ADuM3152數字隔離解決方案可支持高達17 MHz時鍾速率的SPI
，因為其傳播延遲極短；而光耦合器的“快速”通道能以合理的成本在最高3 MHz頻率下工作。

 

圖4. 采用光耦合器實現補充功能的典型SPI應用。

 

 

在ADuM3154產品的變體中
，250 kbps、低速、雙通道地址總線用來控製隔離式從機選擇地址線(SSx)，允許在最短2.6 μs時間內改變目標從機器件。圖6中的部署使用了通用隔離器和ADuM3154。圖5顯示了SSx如何跟隨地址位(SSAx)的改變而轉換。

 

ADuM3154使用2位地址總線將主機-從機選擇(MSS)路由至四個從機之一。這些地址總線位都是慢速信號
，它們再次綁定四個常用高速SPI通道的刷新狀態。 就像刷新狀態，地址位經采樣、封包後，以串行方式跨越隔離柵傳輸。在從機側對數據包進行去串行處理
，地址位用來解複用MSS。解複用器將在2.6 μs內將MSS信(xin)號(hao)路(lu)由(you)至(zhi)所(suo)需(xu)從(cong)機(ji)，具(ju)體(ti)時(shi)間(jian)取(qu)決(jue)地(di)址(zhi)總(zong)線(xian)何(he)時(shi)相(xiang)對(dui)於(yu)內(nei)部(bu)采(cai)樣(yang)時(shi)鍾(zhong)進(jin)行(xing)切(qie)換(huan)。地(di)址(zhi)位(wei)是(shi)總(zong)線(xian)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)
，必(bi)須(xu)互(hu)相(xiang)同(tong)步(bu)。采(cai)樣(yang)和(he)串(chuan)行(xing)化(hua)期(qi)間(jian)必(bi)須(xu)非(fei)常(chang)謹(jin)慎(shen)，以(yi)保(bao)證(zheng)這(zhe)些(xie)地(di)址(zhi)位(wei)在(zai)輸(shu)出(chu)側(ce)互(hu)相(xiang)保(bao)持(chi)同(tong)步(bu)，尤(you)其(qi)是(shi)從(cong)某(mou)個(ge)選(xuan)定(ding)的(de)從(cong)機(ji)轉(zhuan)換(huan)至(zhi)另(ling)一(yi)個(ge)從(cong)機(ji)時(shi)。

 

圖5. 從機選擇地址位SSAx選擇四個從機之一(即SSx)。

 

 

一個常見的SPI設計要求是與共享同一個SPIzongxiandeduogecongjiqijianduihua。zhekeyitongguoduozhongfangshishixian。ruguoshujutongshicongsuoyoucijiduanqijiancaiyangerlai，bingqiesuoyoushujudemeiyizhendouchuanshu，zezuijiandandefangfashicaiyongjuhualianjiangqijianlianjieqilai
，bingjiangzhenggelianlushangdesuoyouqijianxinhaotongguodangegeliduankoushunxuyichu。danruguoshujucaijixuliebuguding，zemeiyigeSPI從機都必須單獨尋址。這就為隔離式接口提出了特定的挑戰。

 

如果每一個從機都必須獨立尋址，則每個器件都必須有獨立的從機選擇線。很多情況下
，從機選擇不僅選擇特定目標用於SPI通信
，還會發起ADC轉換(舉例而言)，因yin此ci該gai條tiao線xian路lu還hai必bi須xu具ju有you高gao度du精jing確que的de時shi序xu性xing能neng。在zai很hen多duo部bu署shu中zhong
，這zhe就jiu要yao求qiu提ti供gong額e外wai的de隔ge離li通tong道dao，並bing具ju有you與yu時shi鍾zhong通tong道dao相xiang當dang的de速su度du
，以yi保bao留liu時shi序xu。一yi

款四通道隔離SPI設計如圖6所示；圖中，標準四通道高速隔離采用三個額外的高速隔離通道予以加強。

 

從機選擇的另一種方法如圖6右you半ban部bu分fen所suo示shi。在zai次ci級ji端duan使shi用yong一yi個ge多duo路lu複fu用yong器qi，而er較jiao低di速su度du的de隔ge離li選xuan擇ze線xian可ke用yong來lai選xuan擇ze目mu標biao。必bi須xu謹jin慎shen切qie換huan多duo路lu複fu用yong控kong製zhi線xian，以yi防fang它ta們men在zai時shi序xu略lve為wei失shi配pei時shi躍yue遷qian至zhi不bu正zheng確que的de中zhong間jian狀zhuang態tai。該gai方fang案an采cai用yongSPIsolator器(qi)件(jian)所(suo)提(ti)供(gong)的(de)低(di)速(su)通(tong)道(dao)實(shi)現(xian)
，並(bing)且(qie)由(you)於(yu)應(ying)用(yong)定(ding)義(yi)良(liang)好(hao)，因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)內(nei)部(bu)構(gou)建(jian)對(dui)於(yu)不(bu)確(que)定(ding)狀(zhuang)態(tai)的(de)保(bao)護(hu)，防(fang)止(zhi)小(xiao)的(de)時(shi)序(xu)誤(wu)差(cha)造(zao)成(cheng)瞬(shun)時(shi)輸(shu)出(chu)狀(zhuang)態(tai)。

 

圖6. 典型多從機SPI應用。

 

在最終分析中，若無論何種技術都能達到性能要求，則最佳設計選擇便出於容易部署、尺寸和成本考慮。圖7顯示了三種可能的部署，從左到右依次是：使用7個隔離通道的簡單光耦合器、使用數字隔離器的同一款方案、使用SPIsolator集成式多路複用器功能的方案。光耦合器解決方案尺寸最大，數字隔離器尺寸是前者的72%


，而SPIsolator僅占PCB尺寸麵積的36%。三個解決方案的成本對比也和麵積類似
，SPIsolator方案的成本相比其他方案大幅降低。

 

圖7. 采用光耦合器實現補充功能的典型SPI應用。

 

 

設計高性能隔離式SPI解決方案時，SPIsolator產品係列可以通過多路複用控製通道來支持高速SPI，其傳播延遲極低，且輔助功能的集成度極高。該SPI通道組合包含補充功能，具有方便的高度集成式隔離SPI總線設計，同時縮短設計時間，降低成本和電路板占位空間。