设计适合恶劣环境下工业应用的鲁棒隔离式RS-232数据接口

　　简介

　　工业和仪器仪表 (II) 应用的一个关键要求是具有可靠的数据接口，用于通过诊断端口检查相连系统。 RS-232总线标准是II 应用中使用最早也最广泛的物理层总线设计标准之一。RS-232最初于1962年推出，是一种单端数据传输标准;尽管有谣传称其很快消亡，但其实它现在仍然是短线通要在恶劣的工业环境下实现鲁棒的数据通信链路，RS-232诊断端口必须在RS-232电缆网络与相连系统之间提供一个隔离接口，以预防高噪声环境中的电压尖峰和接地环路并提高系统稳定性(图1).RS-232通信链路的电源隔离利用隔离式DC/DC电源或ADI公司的isoPower? 集成式DC/DC转换器技术实现。RS-232通信链路的信号隔离利用光耦合器或ADI公司的iCoupler? 技术实现。

　　图1. 典型的隔离式RS-232通信链路

　　如图2所示，隔离栅在RS-232总线和与该总线相连的每个系统之间提供电隔离，既允许在两点之间传输数字数据，又可防止接地环路电流流过;这样可以消除耦合到通信电缆上的噪声，从而降低信号失真和误差。

　　图2. 隔离功能

　　实现隔离式RS-232接口

　　要提供隔离式RS-232通信接口，两端的器件必须与所连的RS-232电缆相互隔离。要隔离数据链路 ，则必须对数据信号线路和用于驱动该电缆的电源进行隔离。来自诊断端口上UART的数据需要跨越隔离栅并传输至隔离总线侧上的RS-232收发器。本地5 V/3.3 V电源也需要跨越隔离栅来为隔离总线侧上的RS-232收发器供电。工业PC端也同样需要如此：数据和电源均需要跨越隔离栅(图3)。

　　通过将器件与RS-232电缆网络隔离开来，诊断端口和工业PC电路均受到保护，不受恶劣环境下可能耦合到RS-232电缆上的瞬变影响。隔离还可以中断因诊断端口和工业PC端存在不同接地电位而可能出现的接地环路。RS-232总线上可能出现的高共模电压不能跨越隔离栅，从而保护隔离数据的用户。

　　图3. 隔离式RS-232接口

隔离技术：数据和电源

　　图4比较了两种主要隔离技术。i技术(图4(a))利用厚膜工艺技术构建可实现2.5 kV隔离的微型片上变压器，从而在RS-232系统中提供信号隔离。较古老但广泛采用的光耦合器 解决方案(图4(b))则采用发光二极管(LED)和光电二极管。LED用于将电信号转换为光，光电检测器则用于将光转换回为电信号。电光转换本身的低转换效率导致功耗相对较高;光电检测器的慢速响应则限制其速度;而老化问题会限制其使用寿命。

　　通过使用晶圆级工艺直接在片上制造变压器，iCoupler 通道能以较低成本相互集成以及与其它半导体功能集成在一起。ADM3252E即是这样的一个例子，它是一个紧凑器件中的隔离式双通道RS-232收发器。i隔离技术至少在以下五个方面克服了旧式光耦合器解决方案所造成的限制：集成—集成iCoupler 支持双向操作，因此可缩小总体尺寸并降低系统成本—、性能更高、功耗 更低、易于使用且可靠性更高。

　　图4. 隔离技术比较

　　直到最近，跨越隔离栅传输电源需要使用单独的DC/DC转换器或定制分立方法，前者体积相对较大、价格昂贵且隔离不充分，后者则体积庞大且难以设计。即使是在隔离式RS-232数据通信等只需少量隔离电源的应用中，这些方法也一直是唯一可行的替代方案。

　　为了解决这一问题，ADI公司研发并制造了一款完整的全集成式解决方案，利用微变压器跨越隔离栅实现信号和电源传输。这是对我们完善iCoupler r技术的延伸，是一种突破性的替代方案，称为isoPower在单个器件中便可实现高达2.5 kV的信号和电源隔离，因而无需体积庞大、价格昂贵且难以设计的隔离电源。它可以显著缩减典型隔离式RS-232接口的电路板面积、设计时间和隔离系统总成本。下文介绍两种适用该技术的典型RS-232设计情况。

　　隔离、高速双通道RS-232接口

　　图5将使用分立元件的传统解决方案与完全集成式解决方案进行了比较。

　　图5. 隔离式RS-232设计比较

　　实施完全隔离式双通道RS-232接口(图5(a))的传统方式是采用光耦合器来提供RS-232链路的数据隔离。每条数据线路(TIN1、TIN2、ROUT1、ROUT2)需要一个光耦合器以及一个外部缓冲器。隔离电源采用变压器驱动器IC来驱动分立变压器，并与简单的整流电路和LDO(低压差稳压器)一起来净化隔离式5 V或3.3 V ISO VCC供电轨。实施时，该设计需要八个IC和若干无源元件，并需占用极大的电路板面积。

　　在图5(b)所示的单芯片解决方案中，可利用一个IC (ADM3252E)、两个去耦电容和四个电荷泵电容来为所有四路信号实现一个完全隔离式(2.5kV)双通道RS-232接口。

ADM3252E(图6)将一个标准RS-232收发器与一个4通道i结合，用于提供RS-232数据信号的信号隔离。它还集成iso技术，以提供片内电源隔离。通过将iCoupler 和i