隔離是防止電流在兩個通信點之間流動、但(dan)允(yun)許(xu)數(shu)據(ju)和(he)功(gong)率(lv)信(xin)號(hao)在(zai)其(qi)間(jian)傳(chuan)輸(shu)的(de)一(yi)種(zhong)手(shou)段(duan)。隔(ge)離(li)可(ke)防(fang)止(zhi)高(gao)電(dian)壓(ya)對(dui)敏(min)感(gan)電(dian)子(zi)元(yuan)件(jian)造(zao)成(cheng)損(sun)壞(huai)或(huo)對(dui)人(ren)造(zao)成(cheng)傷(shang)害(hai)。另(ling)外(wai)它(ta)還(hai)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)大(da)的(de)地(di)電(dian)位(wei)差(cha)消(xiao)除(chu)通(tong)信(xin)鏈(lian)路(lu)中(zhong)的(de)接(jie)地(di)回(hui)路(lu)，以(yi)保(bao)持(chi)信(xin)號(hao)完(wan)整(zheng)性(xing)。

 

過guo去qu十shi年nian法fa規gui發fa生sheng了le變bian化hua
，要yao求qiu在zai惡e劣lie環huan境jing中zhong運yun行xing的de機ji器qi和he設she備bei對dui其qi數shu據ju傳chuan輸shu係xi統tong實shi施shi隔ge離li。現xian在zai的de趨qu勢shi是shi從cong原yuan來lai的de單dan通tong道dao隔ge離li式shi係xi統tong向xiang利li用yong多duo通tong道dao隔ge離li技ji術shu的de應ying用yong轉zhuan變bian，由you此ci產chan生sheng了le新xin型xing隔離器件。這些應用中有許多涉及電信和工業網絡、醫療係統、傳感器接口、電機控製和驅動係統以及儀表中的數據傳輸。

 

本文將重點討論符合RS-485標準（目前仍是業內最主要的數據傳輸標準）的隔離式數字接口。我們會給出RS-485共模電壓範圍（CMVR）的(de)定(ding)義(yi)


，並(bing)解(jie)釋(shi)應(ying)怎(zen)樣(yang)將(jiang)收(shou)發(fa)器(qi)的(de)信(xin)號(hao)和(he)供(gong)電(dian)通(tong)路(lu)與(yu)本(ben)地(di)控(kong)製(zhi)器(qi)電(dian)路(lu)隔(ge)離(li)開(kai)來(lai)
，才(cai)能(neng)使(shi)其(qi)承(cheng)受(shou)巨(ju)大(da)的(de)共(gong)模(mo)電(dian)壓(ya)。最(zui)後(hou)
，我(wo)們(men)將(jiang)介(jie)紹(shao)一(yi)種(zhong)基(ji)於(yu)巨(ju)磁(ci)阻(zu)（GMR）技術的新型RS-485隔離器，並討論其相對於其它隔離技術的優點。

 

 

RS-485標準規定的共模電壓範圍為-7V至+12V。圖1顯示了該範圍
，包括驅動器輸出共模電壓（VOC）、驅動器和接收器地線（GPD）間的接地電位差和縱向耦合噪聲（VN）。

 

圖1：非隔離式RS-485數據鏈路中的VCM：VCM = VOC + GPD + VN。

 

驅動器用於產生圍繞共模分量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，在互補輸出端的電壓VB = VCC/2 ∓ VD/2。

 

接收器僅處理規定CMVR範圍內的差分信號

，並抑製共模分量。這通過等量減弱共模和差分信號的內部分壓器來實現（圖2）。然後用差分比較器在兩個減弱輸入信號之間建立壓差，從而隻放大差分分量。 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）
，所以數據鏈路的整個共模電壓會在這些電阻上下降。這意味著對於標準收發器，其接收器必須準確地檢測整個CMVR範圍（-7V至+12V）內的差分輸入電壓。

 

為適應較高的共模電壓（VCM），如±25V，收發器總線I/O級經過重新設計，使驅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。

 

對於非常高的共模電壓（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）和進一步簡化的VCM等效電路（c）。

 

 

圖3所示為隔離式數據鏈路
，僅接收器與其本地控製器隔離。正確的電流隔離必須包括電源和數據線路。對於電源端口，隔離式DC/DC轉換器可將以大地為參考的微控製器電源軌VCC2和GND2轉換為收發器的隔離浮動電源軌VCC2-ISO和GND2-ISO。

 

數據路徑隔離通過數字信號隔離器（ISO）提供
，隔離器的總線側由VCC2-ISO和GND2-ISO供電，隔離器的控製器側由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動器的非隔離電源軌之間無相互影響。

 

圖3：隔離式RS-485數據鏈路的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，從而將其轉換為浮動地線（GND2-ISO）。

 

圖4的隔離式接收器節點的共模等效電路解釋了這種設計。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，整個VCM在RISO上實現了壓降，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，因此無需擔心超出接收器的最大輸入電壓（相對於接收器地線）。由於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）數據路徑的隔離。隔離式RS-485節點需要四個通道（圖5）來處理發射和接收數據路徑
，以及發射和接收啟用信號。

 

圖5：隔離式RS-485總線節點。

 

在點對點連接中

，為防止接地回路，隻隔離一個節點（另一個節點不隔離）已經足夠。但在多點數據鏈路中
，常見做法是隔離所有總線節點，以重複利用電路節點設計，簡化PCB生產。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器功能整合到一個芯片中，在總線節點設計中顯著節省了空間。圖7中的ISL32704E隔離器采用的是GMR技術，這可實現最小但最穩健的隔離結構
，從而進一步實現小型化設計。

 

圖7：4Mbps
、2.5kV RS-485隔離器。

 

例如，利用優化的布局和設計技術能夠製造圖7所示的4 x 5mm隔離器QSOP封裝
，並在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的400V工作電壓高了一半。另外，該器件已通過UL和VDE認證。

 

圖8顯示了GMR隔離器的工作原理。其中，緩衝輸入信號驅動主線圈，線圈產生的磁場可改變GMR電阻器1-4的阻值。GMR1至GMR4形(xing)成(cheng)惠(hui)斯(si)通(tong)電(dian)橋(qiao)
，產(chan)生(sheng)僅(jin)對(dui)主(zhu)線(xian)圈(quan)磁(ci)場(chang)變(bian)化(hua)做(zuo)出(chu)反(fan)應(ying)的(de)電(dian)橋(qiao)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。不(bu)過(guo)，大(da)的(de)外(wai)部(bu)磁(ci)場(chang)被(bei)視(shi)為(wei)共(gong)模(mo)場(chang)
，並(bing)因(yin)此(ci)被(bei)電(dian)橋(qiao)配(pei)置(zhi)抑(yi)製(zhi)。電(dian)橋(qiao)輸(shu)出(chu)被(bei)饋(kui)入(ru)比(bi)較(jiao)器(qi)，該(gai)比(bi)較(jiao)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)的(de)相(xiang)位(wei)和(he)形(xing)狀(zhuang)與(yu)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)完(wan)全(quan)相(xiang)同(tong)。

 

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、以及夾於其間的超薄非磁性導電中間層A（通常為銅）組成。根據GMR的結構設計

，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。當施加磁場H時
，B1和B2中的磁矩對齊，從而減輕電子散射現象。這會降低A層的電阻並增加電流。

 

電容性和磁性隔離器必須使用RF載波或脈衝寬度調製（PWM）來穿過勢壘傳送DC和低頻信號
，GMR隔(ge)離(li)器(qi)則(ze)無(wu)需(xu)此(ci)類(lei)複(fu)雜(za)的(de)編(bian)碼(ma)。它(ta)們(men)也(ye)不(bu)包(bao)含(han)會(hui)消(xiao)耗(hao)極(ji)大(da)電(dian)流(liu)的(de)電(dian)力(li)輸(shu)送(song)線(xian)圈(quan)或(huo)變(bian)壓(ya)器(qi)
，因(yin)為(wei)其(qi)信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)幾(ji)乎(hu)不(bu)消(xiao)耗(hao)能(neng)量(liang)。以(yi)上(shang)因(yin)素(su)不(bu)僅(jin)可(ke)以(yi)使(shi)電(dian)流(liu)消(xiao)耗(hao)顯(xian)著(zhu)降(jiang)低(di)（表1）
，還使得發射光譜的輻射低到幾乎檢測不到（圖10）。此外，由於GMR隔離器沒有RF載波的脈衝列幹擾，其EMI非常低。

 

表1：供電電流隨數據速率的增加而增加。

 

圖10：幾乎檢測不到GMR隔離器輻射。

 

 

GMR不(bu)隻(zhi)是(shi)一(yi)種(zhong)普(pu)通(tong)的(de)隔(ge)離(li)技(ji)術(shu)，更(geng)是(shi)用(yong)於(yu)高(gao)速(su)和(he)超(chao)高(gao)速(su)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)係(xi)統(tong)的(de)隔(ge)離(li)技(ji)術(shu)。其(qi)幾(ji)乎(hu)無(wu)需(xu)能(neng)量(liang)的(de)信(xin)息(xi)傳(chuan)輸(shu)和(he)微(wei)小(xiao)的(de)外(wai)形(xing)可(ke)保(bao)證(zheng)勢(shi)壘(lei)傳(chuan)播(bo)時(shi)間(jian)在(zai)亞(ya)納(na)秒(miao)級(ji)範(fan)圍(wei)之(zhi)內(nei)。ISL32704E數據表中規定的納秒級傳播延遲主要歸功於I/O緩衝器和收發器。

 

GMR隔離器並不取代光隔離器（適合DC至1Mbps應用），而是在高和超高頻率應用中提供補充隔離功能。GMR隔離器是唯一能夠抵抗單粒子效應和電離總劑量輻射的隔離器

，因此還適於航天和軍工應用。

 

作者：Thomas Kugelstadt，Intersil公司

 

本文轉載自電子技術設計。