簡介
工業(yè)和儀器儀表 (I&I) 應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵要求是具有可靠的數(shù)據(jù)接口，用于通過診斷端口檢查相連系統(tǒng)。 RS-232總線標(biāo)準(zhǔn)是I&I 應(yīng)用中使用最早也最廣泛的物理層總線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之一。RS-232最初于1962年推出，是一種單端數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)；盡管有謠傳稱其很快消亡，但其實(shí)它現(xiàn)在仍然是短線通要在惡劣的工業(yè)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)魯棒的數(shù)據(jù)通信鏈路，RS-232診斷端口必須在RS-232電纜網(wǎng)絡(luò)與相連系統(tǒng)之間提供一個(gè)隔離接口，以預(yù)防高噪聲環(huán)境中的電壓尖峰和接地環(huán)路并提高系統(tǒng)穩(wěn)定性（圖1）.RS-232通信鏈路的電源隔離利用隔離式DC/DC電源或ADI公司的isoPower® 集成式DC/DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)實(shí)現(xiàn)。RS-232通信鏈路的信號(hào)隔離利用光耦合器或ADI公司的iCoupler® 技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
圖1. 典型的隔離式RS-232通信鏈路
如圖2所示，隔離柵在RS-232總線和與該總線相連的每個(gè)系統(tǒng)之間提供電隔離，既允許在兩點(diǎn)之間傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，又可防止接地環(huán)路電流流過；這樣可以消除耦合到通信電纜上的噪聲，從而降低信號(hào)失真和誤差。
圖2. 隔離功能
實(shí)現(xiàn)隔離式RS-232接口
要提供隔離式RS-232通信接口，兩端的器件必須與所連的RS-232電纜相互隔離。要隔離數(shù)據(jù)鏈路 ，則必須對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)線路和用于驅(qū)動(dòng)該電纜的電源進(jìn)行隔離。來自診斷端口上UART的數(shù)據(jù)需要跨越隔離柵并傳輸至隔離總線側(cè)上的RS-232收發(fā)器。本地5 V/3.3 V電源也需要跨越隔離柵來為隔離總線側(cè)上的RS-232收發(fā)器供電。工業(yè)PC端也同樣需要如此：數(shù)據(jù)和電源均需要跨越隔離柵（圖3）。
通過將器件與RS-232電纜網(wǎng)絡(luò)隔離開來，診斷端口和工業(yè)PC電路均受到保護(hù)，不受惡劣環(huán)境下可能耦合到RS-232電纜上的瞬變影響。隔離還可以中斷因診斷端口和工業(yè)PC端存在不同接地電位而可能出現(xiàn)的接地環(huán)路。RS-232總線上可能出現(xiàn)的高共模電壓不能跨越隔離柵，從而保護(hù)隔離數(shù)據(jù)的用戶。
圖3. 隔離式RS-232接口
隔離技術(shù)：數(shù)據(jù)和電源
圖4比較了兩種主要隔離技術(shù)。i技術(shù)（圖4(a)）利用厚膜工藝技術(shù)構(gòu)建可實(shí)現(xiàn)2.5 kV隔離的微型片上變壓器，從而在RS-232系統(tǒng)中提供信號(hào)隔離。較古老但廣泛采用的光耦合器 解決方案（圖4(b)）則采用發(fā)光二極管(LED)和光電二極管。LED用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光，光電檢測(cè)器則用于將光轉(zhuǎn)換回為電信號(hào)。電光轉(zhuǎn)換本身的低轉(zhuǎn)換效率導(dǎo)致功耗相對(duì)較高；光電檢測(cè)器的慢速響應(yīng)則限制其速度；而老化問題會(huì)限制其使用壽命。
通過使用晶圓級(jí)工藝直接在片上制造變壓器，iCoupler 通道能以較低成本相互集成以及與其它半導(dǎo)體功能集成在一起。ADM3252E即是這樣的一個(gè)例子，它是一個(gè)緊湊器件中的隔離式雙通道RS-232收發(fā)器。i隔離技術(shù)至少在以下五個(gè)方面克服了舊式光耦合器解決方案所造成的限制：集成—集成iCoupler 支持雙向操作，因此可縮小總體尺寸并降低系統(tǒng)成本—、性能更高、功耗 更低、易于使用且可靠性更高。
圖4. 隔離技術(shù)比較
直到最近，跨越隔離柵傳輸電源需要使用單獨(dú)的DC/DC轉(zhuǎn)換器或定制分立方法，前者體積相對(duì)較大、價(jià)格昂貴且隔離不充分，后者則體積龐大且難以設(shè)計(jì)。即使是在隔離式RS-232數(shù)據(jù)通信等只需少量隔離電源的應(yīng)用中，這些方法也一直是唯一可行的替代方案。
為了解決這一問題，ADI公司研發(fā)并制造了一款完整的全集成式解決方案，利用微變壓器跨越隔離柵實(shí)現(xiàn)信號(hào)和電源傳輸。這是對(duì)我們完善iCoupler r技術(shù)的延伸，是一種突破性的替代方案，稱為isoPower在單個(gè)器件中便可實(shí)現(xiàn)高達(dá)2.5 kV的信號(hào)和電源隔離，因而無需體積龐大、價(jià)格昂貴且難以設(shè)計(jì)的隔離電源。它可以顯著縮減典型隔離式RS-232接口的電路板面積、設(shè)計(jì)時(shí)間和隔離系統(tǒng)總成本。下文介紹兩種適用該技術(shù)的典型RS-232設(shè)計(jì)情況。
隔離、高速雙通道RS-232接口
圖5將使用分立元件的傳統(tǒng)解決方案與完全集成式解決方案進(jìn)行了比較。
圖5. 隔離式RS-232設(shè)計(jì)比較
實(shí)施完全隔離式雙通道RS-232接口（圖5(a)）的傳統(tǒng)方式是采用光耦合器來提供RS-232鏈路的數(shù)據(jù)隔離。每條數(shù)據(jù)線路（TIN1、TIN2、ROUT1、ROUT2）需要一個(gè)光耦合器以及一個(gè)外部緩沖器。隔離電源采用變壓器驅(qū)動(dòng)器IC來驅(qū)動(dòng)分立變壓器，并與簡單的整流電路和LDO（低壓差穩(wěn)壓器）一起來凈化隔離式5 V或3.3 V ISO VCC供電軌。實(shí)施時(shí)，該設(shè)計(jì)需要八個(gè)IC和若干無源元件，并需占用極大的電路板面積。
在圖5(b)所示的單芯片解決方案中，可利用一個(gè)IC (ADM3252E)、兩個(gè)去耦電容和四個(gè)電荷泵電容來為所有四路信號(hào)實(shí)現(xiàn)一個(gè)完全隔離式(2.5kV)雙通道RS-232接口。
ADM3252E（圖6）將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS-232收發(fā)器與一個(gè)4通道i結(jié)合，用于提供RS-232數(shù)據(jù)信號(hào)的信號(hào)隔離。它還集成iso技術(shù)，以提供片內(nèi)電源隔離。通過將iCoupler 和isoPower離技術(shù)相結(jié)合而集成RS-232收發(fā)器，ADM3252E能夠在單個(gè)封裝(12 mm × 12 mm)內(nèi)提供具有2.5 kV rms隔離性能的完全隔離式RS-232接口，并且只需六個(gè)外部電容。
圖6. ADM3252E隔離、雙通道RS-232收發(fā)器
該單芯片解決方案能夠顯著縮減隔離式RS-232接口所需的設(shè)計(jì)時(shí)間和電路板面積。由于PCB上的元件數(shù)量明顯減少，因此能夠降低制造成本并提高可靠性。此外，ADM3252E無需進(jìn)行任何修改，便可用于5 V或3.3 V應(yīng)用，避免了分立設(shè)計(jì)所必須進(jìn)行的設(shè)計(jì)更改。
iso技術(shù)能夠直接在44引腳BGA封裝的芯片上提供2.5 kV電源隔離，因而無需傳統(tǒng)解決方案中所用的昂貴分立變壓器。此外，iCoupler 技術(shù)能夠提供信號(hào)（數(shù)據(jù)）隔離，因而無需四個(gè)分立式光耦合器通道。
ESD保護(hù)
因?yàn)镽S-232電纜要由用戶親手連接和斷開，因此RS-232發(fā)射(Tx)和接收(Rx)引腳（TxD1、TxD2、RxD1、RxD2）的ESD（靜電放電）保護(hù)非常重要，以確保接口穩(wěn)定可靠。ADM3252E在RINx和TOUTx上的ESD保護(hù)能力符合IEC 1000-4-2 (801.2)標(biāo)準(zhǔn)，具體如下所示：
- 接觸放電： ±8 kV
- 接觸放電：±15 kV
瞬變保護(hù)
為使RS-232收發(fā)器能夠在工業(yè)應(yīng)用中極其惡劣的工作條件下工作，隔離技術(shù) (iCoupler 和 isoPower)提供高共模瞬變抗擾度(>25 kV/μs)， 該抗擾度是指在維持額定工作時(shí)能保持的最大共模電壓（邏輯和總線端的電位差）壓擺率。瞬變幅度是共模電壓壓擺的范圍。共模電壓壓擺率適用于共模電壓的上升沿和下降沿。該規(guī)格確保惡劣環(huán)境下耦合到RS-232電纜上的任何瞬變無法損壞RS-232收發(fā)器或?qū)е聜鬏斿e(cuò)誤數(shù)據(jù)，從而使數(shù)據(jù)鏈路具有極高穩(wěn)定性。
2.5 kV隔離保護(hù)和認(rèn)證
隔離收發(fā)器能夠在器件的邏輯和總線端之間提供2.5 kV的隔離。該隔離額定值確保邏輯端沒有電流能夠進(jìn)出RS-232電纜。它還確保不會(huì)有電壓或瞬態(tài)耦合到RS-232電纜進(jìn)而到達(dá)邏輯端。2.5 kV隔離保護(hù)還意味著，可保護(hù)邏輯端的用戶不受RS-232電纜上可能出現(xiàn)的高電壓或瞬變影響。ADM3252E的2.5 kV隔離額定值正在接受下列機(jī)構(gòu)的認(rèn)證：美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)所(UL)、德國電氣工程師協(xié)會(huì) (VDE)和加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(CSA)。UL 1577認(rèn)證要求所有ADM3252E器件的隔離柵（與光耦合器一樣）都要100%經(jīng)過生產(chǎn)測(cè)試：
-
UL認(rèn)證
- 1分鐘2,500 V rms，符合UL 1577
-
VDE合格證書
- IEC 60747-5-2 (VDE 0884, Part 2)
- VIORM = = 560 V峰值
- CSA元件驗(yàn)收通知#5A
ADM3252E規(guī)格
ADM3252E是一款雙通道、高速、全隔離式（數(shù)據(jù)和電源）RS-232收發(fā)器，非常適合在電氣條件惡劣的環(huán)境下工作，或頻繁插拔RS-232電纜的場合。它集成了四個(gè)獨(dú)立的iCoupler數(shù)字隔離通道（兩個(gè)發(fā)射，兩個(gè)接收）和一個(gè)isoPower芯片級(jí)DC/DC轉(zhuǎn)換器，提供2.5 kVrms隔離，25 kV/μs瞬變抗擾度和±15 kV ESD保護(hù)。它符合TIA/EIA-232E規(guī)范，最高通信數(shù)據(jù)速率為460 kbps。片內(nèi)倍壓器和反相器支持單電源工作。ADM3252E采用3.0 V至5.5 V單電源供電，無負(fù)載時(shí)功耗為20 mA。它采用12 mm × 12 mm的44引腳CSP BGA封裝，額定溫度范圍為–40°C至+85℃，千片訂量報(bào)價(jià)為8.49美元/片。
PCB布局
隔離收發(fā)器的PCB布局對(duì)于確保在實(shí)際設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)2.5 kV的額定隔離性能至關(guān)重要。主要考慮因素是邏輯端GND和總線端GND之間的爬電距離 (沿殼體最短距離) 和 電氣間隙 (最短空氣距離) ADM3252E的邏輯接口不需要外部電路。輸入和輸出供電引腳需要電源旁路（圖7）。欲了解有關(guān)PCB布局指南和輻射(EMI)控制結(jié)構(gòu)的更多信息，請(qǐng)參考AN-0971應(yīng)用筆記, “isoPower器件的輻射控制建議”。
圖7. ADM3252E推薦的印刷電路板布局
隔離、高速單通道RS-232接口
對(duì)于只需單通道（1 Tx、1 Rx）5 V隔離式RS-232接口的收發(fā)器應(yīng)用，ADM3251E 提供一個(gè)20引腳寬體SOIC封裝的單芯片解決方案。ADM3251E收發(fā)器整合iCoupler 和isoPower 隔離技術(shù)，也是第一款能提供數(shù)據(jù)線路與電源二者完全隔離的表面貼裝RS-232收發(fā)器。它具有2.5 kV隔離額定值，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)隔離要求（UL1577和DIN VDE 0884-10）。這可確保達(dá)到高噪聲工作環(huán)境中所要求的魯棒性，如工業(yè)自動(dòng)化和控制應(yīng)用中的隔離式RS-232診斷數(shù)據(jù)端口。與傳統(tǒng)IC相比，表貼(SMT)封裝可使電路板空間減少45%，有助于加速制造工藝并降低系統(tǒng)開發(fā)成本（圖8）。
圖8. 單通道RS232收發(fā)器應(yīng)用(a) ADM3251E規(guī)格
(b)傳統(tǒng)方法 (c) iCoupler + isoPower方法
結(jié)論
如今，工業(yè)和儀器儀表應(yīng)用中的RS-232接口鏈路需要尺寸小、性能可靠、成本低且隔離良好。通過將芯片級(jí)變壓器隔離與標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口收發(fā)器相集成，可以通過單芯片、全隔離式RS-232收發(fā)器（含隔離電源）來提供上述優(yōu)勢(shì)。雙通道ADM3252E和單通道ADM3251E能夠顯著縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，并為這些要求苛刻的應(yīng)用提供一種緊湊、可靠、低成本的高性能解決方案。