解析基于iCoupler技术的全集成式RS-485系统隔离
此外,由于RS-485网络铺设距离长,而且连接多种系统,因此特别容易受到失控电压和电流所带来的负面影响。当这类现象发生时,远端系统期望获得的逻辑电平开关信号,就会被迭加在一个参考其本地
图1:iCoupler变压器剖面图。
iCoupler技术是基于芯片尺寸的变压器,每个iCoupler通道都由两部分组成:CMOS接口电路和芯片级的变压器。而iCoupler隔离变压器的核心,正是这个能够穿越隔离阻障并发射与接收信号的平面变压器,它们不仅能够提供隔离,而且消除了光耦合器中光电转换的缺点,包括功耗过大、较大的时序误差和数据速率受限等。事实上,由于无需驱动LED的外部电路,iCoupler数字隔离器功耗仅为光电耦合器的1/10~1/50。
iCoupler隔离变压器可实现数千伏的隔离,其高耐压的关键性,在于发送和接受变压器的顶层和底层线圈之间,采用厚达20微米的聚酰亚胺材料作为隔离层,见图1。
为了跨越隔离层传输数字信号,iCoupler把输入信号编码成1ns的脉冲序列,两个连续脉冲表示一个上升沿,单个脉冲表示下降沿。接收器电路对这些脉冲进行解码,并在副边重新产生上升沿和下降沿。为确保数据完整性和抑制噪声,大多数iCoupler产品集成输入抗干扰滤波器,输入端刷新电路,保证直流信号的正确传输。当接收器没有检测到刷新信号时,接收端的看门狗电路将被触发,确保输出处于防故障保护状态。
图2:基于ADuM1301数字隔离器和DC-DC隔离电源的RS-485收发器解决方案。
图2所示即为采用ADuM1301数字隔离器和DC-DC隔离电源的RS-485收发器解决方案。很明显,采用该方案在一定程度上提高了电路的集成度,并且隔离性能也较光耦隔离有了很大的提升,但是我们也可以看到,该解决方案仍然需要双电源供电。
为了增强电路集成度,使隔离更为彻底,ADI还推出了集成DC-DC隔离电源的数字隔离器系列,即采用isoPower的数字隔离器系列。ADI的isoPower技术将DC/DC转换器的所有元素,振荡器、整流器、变压器驱动和线性稳压器或PWM反馈集成于一体。其中,功率传输变压采用较大尺寸的片上变压器,而为了实现较高功率传输效率,振荡器的振荡频率高达180MHz,远高于传统DC/DC变换器的振荡频率。isoPower技术的实现,使用户在使用中只提供一侧电源即可。
对于上述的应用案例,我们可以选用ADI isoPower系列中的ADuM5401产品来替代DC-DC隔离电源和三个光耦,从而使PCB空间更加紧凑。
完全集成式iCoupler解决方案
隔离器件的选择主要有两个要求,第一是系统性能要求;第二,就需要考虑空间限制和成本等因素。上面提到的集成DC-DC隔离电源的数字隔离器虽然已经能够满足大部分的应用要求,但是对于空间限制更为严苛的系统,这样的解决方案仍然有些力不从心。如果设计工程师仍然面对这种设计挑战,他们可以选择ADI最新推出的ADM2682E/ ADM2687E,该器件适合于电力、马达、能源控制系统的高压电环境中。
ADM2682E/ ADM2687E是ADI最新推出的首款单芯片5KV RMS信号和电源隔离RS-485收发器,可配置为全双工或半双工。新产品包括1个3通道隔离器、1个带三态输出的差分线路驱动器和1个基于ADI isoPower隔离式DC/DC转换器技术的差分输入接收器。接收器输入阻抗允许多达256个收发器接入总线,ADM2682E的最高传输速率可达16 Mbps。逻辑端兼容3 V/5 V工作电源,总线端5 V供电。RS-485收发器的电气隔离数据为1分钟5000VRMS,符合UL 1577认证要求。
ADM2682E/ ADM2687E驱动器是高电位激活,也可以提供低电位激活,只要在不激活状态使接收器输出端进入高阻态即可。该接收器具有短路电流限制和热关断特性,以此来保护输出端短路和由总线争用引起的额外功耗。该芯片采用16引脚的宽体SOIC封装,额定温度范围为-40℃至+85℃工业温度范围,在该范围内无需任何分立元件就可实现RS-485功能。目前,ADM2682E和ADM2687E驱动器的隔离标准安全和法规认证正在进行中,包括UL(美国保险商实验所)、CSA(加拿大标准协会)和VDE(德国电气工程师协会)
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