解析基于iCoupler技术的全集成式RS-485系统隔离解决方案

2011年4月22日，北京地铁10号线地面信号设备遭雷击，导致部分车站出现乘客滞留现象。无独有偶，刚刚于2011年6月30日开通的京沪高铁，7月份也因暴雨和雷击所导致的供电设备故障，发生了三次"趴窝"事件(分别是7月10日、12日与13日）。虽然截至目前，我们仍然不知道上述两起事故背后的真正原因到底是什么，但是接二连三的事故，却使得人们再次对"防雷电"以及"电气隔离"设计的重要性敲响了警钟。

作为大家熟悉的一种长距离串行通信总线技术，RS-485大量出现在地铁等公共交通环境中，包括车站门禁系统网络、智能低压配电系统、乘客信息系统(PIS)等应用，都会看到它们的身影。事实上，RS-485总线网由于采用双绞线作为传输线，一般在室外架空或沿电缆沟铺设，所以在雷雨季节常因雷电在传输线上引起瞬变干扰而损坏器件。再者，由于RS-485的网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，即通常采用一条总线将各个节点串联起来，不支持环形或星型网络，因此雷电引发的瞬变往往导致传输线上的多个RS-485收发器损坏。

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地电位的高电压之上。为了防范此类潜在性的破坏，除了在设计的时候要将总线上的所有设备和连接至总线的系统参考同一地电位外，还必需将RS-485系统器件与连接至总线的各个系统隔离，从而防止接地环路和电涌损坏电路。

为了实现RS-485的系统隔离，必须对RS-485的信号线路和电源进行隔离。通常情况下，电源隔离采用隔离DC-DC电源实现，而信号隔离通常则会使用到目前常见的三种隔离技术：光电隔离、变压器隔离以及电容隔离。三种技术各有其优缺点，但是一直以来，光耦合器和变压器技术最为常用。

用磁耦隔离替代光电隔离

光电耦合器是光电隔离的一种形式，作为传统的隔离器件，其影响力最为深远。光电隔离的主要优势是应用广泛，因此整个电路比较成熟，成本低。但是我们也可以看到，采用光电隔离方法通常需要三极管与电阻等分立元件共同使用才能完成其功能，整个电路体积大，集成度不高，而且光电耦合器件本身的易损耗、速度较慢、耗电量大，特别是在温度和老化变化过程中的性能极不稳定性，为其应用带来局限。

为了克服光电隔离技术的诸多缺点，我们在进行RS-485系统隔离设计的时候，还可以选择市面上诸多的数字隔离解决方案，例如ADI基于其专有iCoupler磁耦隔离技术的标准数字隔离产品，例如ADuM131x、ADuM141x等，来替代CPU与RS-485收发器之间的光耦部分，其他电路部分保持不变。

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