用于数字通信接口的稳健且超低功耗的隔离

随着工厂自动化网络的复杂度日益提高，通常需要多个组件和模块相连接来进行控制与通信。这种离散的系统将会面对工业环境中常见的各种浪涌冲击或噪声干扰。因此，设计师需要提供一个既能够防止瞬态高压的绝缘保护也可以防止共模噪声干扰的信号隔离方案。虽然传统的光电隔离技术已经可以满足这种需求，但新的设计趋势则提出了更低功耗的要求。

数字通信接口隔离

电气隔离是为了防止带电的粒子从一个电路游动到另外一个电路。在互相隔离的两个电路之间，它们的供电、接地以及电路之间不可以有任何物理上的传导连接。同时，两个电路之间必要的信息可以通过其他的方式进行传输和交换，如使用光电转换的方式进行交换。

在数字通信上需要隔离有四个主要理由：首先，它可以用来隔离并保护由一个模块产生的瞬间高电压浪涌，造成另外一个模块的损坏。这一点对工业环境特别重要，因为通常大型的高电压机械设备都会通过通信总线互相连接在一起。第二，隔离器也可以用来进行信号电平的转换，或者调整不同电源电压工作系统或电路间的电平逻辑信号。例如，微处理器可能以3.3V的电源工作，而I/O设备则以5V的电源工作，光电耦合器则可以用来连接这些不同的模块。第三，隔离器也可以用来抑制共模瞬变噪声。共模噪声可能会造成输出信号异常的电压变化或者过大的噪声，光电耦合器的耦合电容比较小，可以直接有效地降低共模电压，保证信号的质量。共模噪声的抑制对于容易受到干扰的电路，如传感器、A/D转换器、信号发送器等，都非常重要。最后，隔离器也可以用来切断不同接地电平所造成的接地环路。接地环路会带来电气系统中共用路径两点之间不必要的电流流动。接地环路电流如果没有被消除，将会严重影响信号的完整性，甚至触发错误信号。

图1 典型的隔离SPI接口

数字通信低功耗隔离方案

光耦在工业领域的应用非常广泛，它可以用来隔离Profibus、DeviceNet、USB、I2C、RS485和CANBus等现场总线系统。光耦可以为整个系统提供高电压的浪涌保护，也可以帮助消除接地环路当中的噪声，还可以被用来在开关电源一次侧和二次侧之间对反馈信号或者PWM驱动信号进行隔离。另外，光耦亦可以用来提供POE（Power-Over-Ethernet），也就是以太网供电内的热切换控制器和主控制器间接口的隔离和噪声控制。

在工厂自动化中，控制单元必须和外部通信，由于在不同的网络层和物理位置有很多的互连设备，因此接地环路和高瞬变短脉冲在现场总线应用当中是非常普遍的。需要有高共模抑制能力的高速数字光电耦合器来隔离并保护这些系统。适当的隔离可以确保系统MCU或DSP所提供的数字信号可以安全、精确地对电机进行控制。

SPI串行外设接口是一个广泛应用的通信总线，它可以让多个从属端连接到一个主控端上进行通信与控制。SPI使用3个主要的逻辑信号，分别为串行时钟、信号输入（SDI）和信号输出（SDO）。如果只使用单一的从属端，那么第四条信号线从属选择（SS）就可以设定为低电平。SPI可以用来替代并行接口，避免并行电路、环绕PCB的麻烦。例如带有SPI输出的12位的ADC可以把12条信号线缩减为单一的SPI输出，付出的代价就是数据的有效传输速度。假设使用相同的串行速度，那么有效速度就会降低12倍。图1中提供了典型的隔离SPI接口，要进行数据传送，主控端首先要使用低于或者等于从属端器件可以支持的最高频率进行时钟配置。在每个SPI时钟周期，会发生全双工的数据传输。主控端在SDI线送出一位的信息，从属端就在相同线路补入。从属端在SDO线路送出一位数据，那么主控端也由相应的线路补入。在整个SPI的数据传输中，环路延迟对于系统的正常运行非常重要。低功耗的高速光耦系列，采用了快速CMOS技术，整个环路延迟大约为92ns。


在光电耦合器工作时，有两个主要的部件会消耗电流，分别为驱动LED的正向电流IF以及将LED的光电信号转换为电气信号的检测器电流ID。光电耦合器可以通过降低LED的驱动电流和检测器电流来达到低功耗。电源效率通常是工程师必须持续努力改进的关键的性能参数。选用低功耗的光电耦合器有四个重要的理由：首先，它可以降低整体功耗；其次，通过较低的功耗可以减少发热，从而简化温度管理系统设计；第三，通过使用较低的驱动电流，光电耦合器的LED寿命可以大大延长；最后，低于4mA的LED驱动电流可以由大部分微控制器以及ASIC直接驱动，不需要外部缓冲器。

图2显示了Avago的光电耦合器在85℃到105℃的条件下，以2mA的驱动电流工作时，现场工作年限和电流转换比（CTR）的衰减度。基本上，LED的工作寿命和驱动电流是成反比的，通过降低驱动电流，LED的工作寿命可以大幅提升。图2中的数字使用了采用Black’s Model计算的等效现场小时数，是基于LED 100%被点亮，使用了三个西格玛的数据，Avago的LED CTR的衰减为5%，可以实现长达35年的连续工作寿命。