嵌入式系統(tǒng)接口隔離技術(shù)及其設(shè)計

　　在許多應(yīng)用中，數(shù)據(jù)鏈路之間需要(甚至是必要的)非直接的(導(dǎo)電)電連接，從而在提供數(shù)據(jù)的同時避免來自系統(tǒng)某一部分的危險電壓(或電流)對其另一部分造成破壞。造成這種破壞性失效的可能是電源質(zhì)量低劣、接地故障、雷擊和浪涌等各種故障。此外，通信節(jié)點的間距可能相當(dāng)大，常常由不同接地區(qū)域的AC插座來給這些節(jié)點供電，這些接地區(qū)域之間的電位差(可能含有DC偏壓、50 Hz的AC諧波和各種瞬態(tài)噪聲分量)也會造成破壞。

　　在工程實際使用中，經(jīng)常發(fā)生通過電纜邏輯接地或屏蔽將這些地線連接在一起的情況，可能形成接地環(huán)路，且電流將流入該電纜。接地環(huán)路電流會對通信產(chǎn)生嚴重影響(包括數(shù)據(jù)惡化、EMI過大、元件損壞)，當(dāng)電位差足夠大時，人體就有遭受電擊的可能。為了避免上述破壞，可引入非直接的(導(dǎo)電)電連接(稱作“隔離”)。進行隔離是為了消除噪聲并且防止電流在兩通信端之間流動。隔離電路具有相對于其他電路元件極高的阻抗，從而“切斷”了由電路路徑形成的環(huán)路；斷開環(huán)路后，噪聲電壓將出現(xiàn)在隔離層上而非接收機或其他敏感組件上。隔離原理如圖1所示。

　　一般在兩種情況下會采用隔離技術(shù)：①有可能存在損壞設(shè)備或危害人員的潛在電流浪涌，如醫(yī)療上的應(yīng)用、電機控制、交通戶外設(shè)備等方面；②存在不同電位的接地回路的互連。這兩種情況都是采用隔離來避免電流通過，而允許兩點之間有數(shù)據(jù)或功率傳送。隔離普遍應(yīng)用于包含高壓、高速或高精度的通信、長距離通信的場合，常見的有工業(yè)輸入／輸出系統(tǒng)、接口方面、總線、電源、電機控制、儀器儀表等。

　　2 隔離技術(shù)的分類

　　當(dāng)前有3種通常的隔離技術(shù)：光電隔離、變壓器隔離(電感隔離)、電容隔離。此外，還有ADI公司的一項專利隔離技術(shù)，即磁耦(iCoupler)隔離技術(shù)。其中，光電隔離、電容隔離、磁耦隔離都屬于數(shù)字隔離，而電感隔離通常僅用于電源或模擬隔離器，而非數(shù)字隔離器件。

　　光耦合技術(shù)是在透明絕緣隔離層(例如空氣間隙)上的光傳輸，完成了電一光電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出隔離的作用。光耦合技術(shù)的主要優(yōu)點是，光對外部電子或磁場內(nèi)在的抗干擾性強，而且光耦合技術(shù)允許使用恒定信息傳輸。光耦合器的不足之處主要體現(xiàn)在速度限制、功耗以及LED老化上。

　　變壓器隔離使用變壓器線圈來使傳輸信息通過隔離層，隔離前端的電流變化通過線圈引起隔離另一側(cè)的電流變化。Ac信號(例如以太網(wǎng))的隔離非常適合于變壓器耦合。變壓器隔離的優(yōu)點是速度高，而且可以給隔離端供電；缺點是易受外部磁場(噪聲)的干擾且變壓器的體積比較大。

　　電容耦合使用不斷變化的電場來通過隔離層實現(xiàn)信息傳輸。電容器極板之間的材料是電介質(zhì)絕緣體，即隔離層。電容隔離層的優(yōu)勢是效率高，無論在體積、能量轉(zhuǎn)換還是在抗磁場干擾方面均如此。與變壓器不同的是，電容耦合的缺點在于無差分信號，并且噪聲與信號共用同一條傳輸通道。這就要求信號頻率應(yīng)遠高于可能出現(xiàn)的噪聲頻率，以便使隔離層電容對信號呈現(xiàn)低阻抗，而對噪聲呈現(xiàn)高阻抗。如同電感耦合一樣，電容耦合也存在帶寬限制。磁耦隔離技術(shù)是ADI公司的一項專利隔離技術(shù)，它是一種基于芯片尺寸的變壓器，而非傳統(tǒng)的基于光電耦合器所采用的發(fā)光二極管(LED)與光敏三極管結(jié)合。采用iCoupler技術(shù)的數(shù)字隔離器利用平面磁場專利隔離技術(shù)，并采用iCoupler變壓器專利技術(shù)集成變壓器驅(qū)動和接收電路，同時不再需要驅(qū)動LED的外部電路，具有低功耗、高集成度等特點。

　　3 隔離技術(shù)的具體應(yīng)用

　　3．1 隔離技術(shù)在RS485／RS422中的應(yīng)用

　　RS485／RS422 作為強健的接口標準，采用雙絞線電纜連接并具有寬共模電壓范圍內(nèi)差分信號傳輸?shù)牡驮肼曬詈咸匦?，允許在高達10 Mbps的信號傳輸速率下進行數(shù)據(jù)交換。盡管該標準已被廣泛接受，但是它在實際應(yīng)用中的一些具體問題并沒有得到深入的認識，甚至存在著種種誤區(qū)(比如接地、隔離及瞬態(tài)保護并沒有在實際使用中得到正確的應(yīng)用)，以至于影響到整個系統(tǒng)的性能。在實際應(yīng)用中，RS485／RS422通信大多采用圖2所示的3種方式。

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　　對于圖2(a)的設(shè)計，遠程數(shù)據(jù)連接通常存在很大的地電位差(GDP)，該電位差到了發(fā)送器的輸出上就成了共模噪聲。如果這種噪聲過大，就可能超過接收器的輸入共模噪聲容限，從而造成器件損壞。圖2(b)中的設(shè)計方法對高阻型共模干擾有效，由于干擾源內(nèi)阻大，短接后不會形成很大的接地環(huán)路電流，對于通信不會有很大影響。但當(dāng)共模干擾源內(nèi)阻較低時，會在接地線上形成較大的環(huán)路電流，耦合到數(shù)據(jù)線中成為共模噪聲，影響正常通信。圖2(c)實際上是在接地線上加限流電阻限制干擾電流，但大地接地回路的存在使數(shù)據(jù)鏈路對回路中其他地方產(chǎn)生的噪聲非常敏感。

　　總的來說，圖2(c)的方案比前兩種合適，但建立長距離數(shù)據(jù)鏈路的最可靠的方法是通過數(shù)字隔離方案來隔斷接地回路，其單節(jié)點設(shè)計如圖3所示。

　　采用圖3所示方法時，總線收發(fā)器的信號線和電源線與本地信號和電源是相互隔離的。該設(shè)計有2個關(guān)鍵：

　?、倨涓綦x器件可以選用ADI公司iCoupler產(chǎn)品的ADuM141x，也可以選用TI公司的IO72xx數(shù)字隔離器。其中IO72xx是數(shù)字電容性隔離工藝應(yīng)用的數(shù)字隔離器，接收數(shù)字輸入并產(chǎn)生干凈的數(shù)字輸出，同時防止源自輸入?yún)⒖嫉氐脑肼曤娏骷斑^電壓的干擾。

　?、谠擃惛綦x器件都具有雙電源、地，分別接系統(tǒng)內(nèi)部電源、地和通信接口芯片的電源、地，同時雙電源、地通過隔離型DC-DC變換器進行隔離。或者使用ADI 公司采用iCoupler技術(shù)的DC-DC隔離電源轉(zhuǎn)換器isoPower系列的ADuM524x來實現(xiàn)隔離部分和隔離型DC-DC部分的集成簡化方案，但需要注意的是ADuM5241的隔離電源的驅(qū)動能力可能不夠。

　　圖4給出的是多個隔離型．RS485／RS422收發(fā)器組網(wǎng)的詳細連接。總線節(jié)點以菊花鏈或總線拓撲方式聯(lián)網(wǎng)，總線上每臺設(shè)備的工作地是不相連的，每個節(jié)點都必須通過很短的線頭連接到主線纜。RS485／RS422盡管是差分傳輸，但對RS485網(wǎng)絡(luò)來講一條低阻的信號地還是必不可少的。一條低阻的信號地將兩個接口的工作地連接起來，使共模干擾電壓被短路，這條信號地可以是額外的一對非屏蔽雙絞線或者是屏蔽雙絞線的屏蔽層。注意，無論怎么連接千萬不能形成工作地回路，否則將會形成很大的環(huán)路電流。特別要注意的是，如果使用了專門的低阻的信號地，再使用屏蔽層保護，就必須屏蔽層單端接某個節(jié)點的收發(fā)器的地，否則就會形成地回路。另外還要注意，所有收發(fā)器中除了一個以外其他均通過隔離連接到總線，圖4中唯一一個未隔離的收發(fā)器為整個總線接口提供單一地參考，噪聲環(huán)境下往往用2個RC低通濾波器替代120 Ω終端電阻，以增強對共模噪聲的濾波。2個濾波器的電阻值應(yīng)相等(最好采用精密電阻)，以確保2個濾波器具有相同的滾降頻率。