隔离是防止电流在两个通信点之间流动、但允许数据和功率信号在其间传输的一种手段。隔离可防止高电压对敏感电子元件造成损坏或对人造成伤害。另外它还可以通过大的地电位差消除通信链路中的接地回路,以保持信号完整性。

过去十年法规发生了变化,要求在恶劣环境中运行的机器和设备对其数据传输系统实施隔离。现在的趋势是从原来的单通道隔离式系统向利用多通道隔离技术的应用转变,由此产生了新型隔离器件。这些应用中有许多涉及电信和工业网络、医疗系统、传感器接口、电机控制和驱动系统以及仪表中的数据传输。

本文将重点讨论符合RS-485标准(目前仍是业内最主要的数据传输标准)的隔离式数字接口。我们会给出RS-485共模电压范围(CMVR)的定义,并解释应怎样将收发器的信号和供电通路与本地控制器电路隔离开来,才能使其承受巨大的共模电压。最后,我们将介绍一种基于巨磁阻(GMR)技术的新型RS-485隔离器,并讨论其相对于其它隔离技术的优点。

共模电压范围

RS-485标准规定的共模电压范围为-7V至+12V。图1显示了该范围,包括驱动器输出共模电压(VOC)、驱动器和接收器地线(GPD)间的接地电位差和纵向耦合噪声(VN)。

DI6_F1_201709

图1:非隔离式RS-485数据链路中的VCM:VCM = VOC + GPD + VN

驱动器用于产生围绕共模分量VCM = VCC/2的对称差分输出(VD),使得在一个输出端的线路电压VA = VCC/2 ± VD/2,在互补输出端的电压VB = VCC/2 ∓ VD/2。

接收器仅处理规定CMVR范围内的差分信号,并抑制共模分量。这通过等量减弱共模和差分信号的内部分压器来实现(图2)。然后用差分比较器在两个减弱输入信号之间建立压差,从而只放大差分分量。 分压器代表每个接收器输入和接收器地线之间的共模电阻(RCM),所以数据链路的整个共模电压会在这些电阻上下降。这意味着对于标准收发器,其接收器必须准确地检测整个CMVR范围(-7V至+12V)内的差分输入电压。

为适应较高的共模电压(VCM),如±25V,收发器总线I/O级经过重新设计,使驱动器输出晶体管具有较高的峰值电压,接收器分压器具有较高的分压比,这就需要更高的电阻值。

对于非常高的共模电压(如几百伏),则需要插入电流隔离势垒(galvanic isolation barrier),以消除收发器总线端子上的高电压。

DI6_F2_201709

图2:接收器等效电路图(a),其共模表示(b)和进一步简化的VCM等效电路(c)。

隔离扩大CMVR

图3所示为隔离式数据链路,仅接收器与其本地控制器隔离。正确的电流隔离必须包括电源和数据线路。对于电源端口,隔离式DC/DC转换器可将以大地为参考的微控制器电源轨VCC2和GND2转换为收发器的隔离浮动电源轨VCC2-ISO和GND2-ISO

数据路径隔离通过数字信号隔离器(ISO)提供,隔离器的总线侧由VCC2-ISO和GND2-ISO供电,隔离器的控制器侧由VCC2和GND2供电。 因为电流总是返回电源,所以接收器的隔离电源轨与驱动器的非隔离电源轨之间无相互影响。

DI6_F3_201709

图3:隔离式RS-485数据链路的VCM

DI6_F4_201709

图4:RISO上的VCM压降。

图3清楚地显示了以大地为参考的地线GND1与GND2之间仍然存在接地电位差,如同信号对导体与GND2之间的共模电压一样。然而,隔离势垒已将接收器地线与GND2解耦,从而将其转换为浮动地线(GND2-ISO)。

图4的隔离式接收器节点的共模等效电路解释了这种设计。因为隔离势垒的巨大电阻(RISO = 1014Ω)是与阻值小很多的接收器共模电阻(RCM = 105Ω)串联,整个VCM在RISO上实现了压降,消除了接收器上的共模影响(VRcm = 0V)。另外,GND2-ISO电位可跟踪接收器输入电压,因此无需担心超出接收器的最大输入电压(相对于接收器地线)。由于VCC2-ISO还以GND2-ISO为参考,所以无论共模电压水平如何,隔离式接收器上的供电电压值都会保持在合适水平。

请注意,图3和图4显示了仅对接收器(Rx)数据路径的隔离。隔离式RS-485节点需要四个通道(图5)来处理发射和接收数据路径,以及发射和接收启用信号。

DI6_F5_201709

图5:隔离式RS-485总线节点。

在点对点连接中,为防止接地回路,只隔离一个节点(另一个节点不隔离)已经足够。但在多点数据链路中,常见做法是隔离所有总线节点,以重复利用电路节点设计,简化PCB生产。图6是隔离式多点总线的示例。

DI6_F6_201709

图6:隔离式多点总线。

最新的RS-485隔离方法将隔离器与收发器功能整合到一个芯片中,在总线节点设计中显著节省了空间。图7中的ISL32704E隔离器采用的是GMR技术,这可实现最小但最稳健的隔离结构,从而进一步实现小型化设计。

DI6_F7_201709

图7:4Mbps、2.5kV RS-485隔离器。

例如,利用优化的布局和设计技术能够制造图7所示的4 x 5mm隔离器QSOP封装,并在44000年势垒寿命期间维持600V的巨大工作电压。这比提供2.5kV功能隔离的竞争技术的400V工作电压高了一半。另外,该器件已通过UL和VDE认证。

图8显示了GMR隔离器的工作原理。其中,缓冲输入信号驱动主线圈,线圈产生的磁场可改变GMR电阻器1-4的阻值。GMR1至GMR4形成惠斯通电桥,产生仅对主线圈磁场变化做出反应的电桥输出电压。不过,大的外部磁场被视为共模场,并因此被电桥配置抑制。电桥输出被馈入比较器,该比较器的输出信号的相位和形状与输入信号完全相同。

DI6_F8_201709

图8:单通道GMR隔离器。

DI6_F9_201709

图9:多层GMR电阻器。

图9描述了单个GMR电阻器的功能。该电阻器由铁磁合金层B1和B2、以及夹于其间的超薄非磁性导电中间层A(通常为铜)组成。根据GMR的结构设计,在没有磁场的情况下,B1和B2中的磁矩朝向相反的方向,使重电子散射在A层上,从而大幅增加其对电流I的电阻。当施加磁场H时,B1和B2中的磁矩对齐,从而减轻电子散射现象。这会降低A层的电阻并增加电流。

电容性和磁性隔离器必须使用RF载波或脉冲宽度调制(PWM)来穿过势垒传送DC和低频信号,GMR隔离器则无需此类复杂的编码。它们也不包含会消耗极大电流的电力输送线圈或变压器,因为其信号传输几乎不消耗能量。以上因素不仅可以使电流消耗显著降低(表1),还使得发射光谱的辐射低到几乎检测不到(图10)。此外,由于GMR隔离器没有RF载波的脉冲列干扰,其EMI非常低。

DI6_T1_201709

表1:供电电流随数据速率的增加而增加。

DI6_F10_201709

图10:几乎检测不到GMR隔离器辐射。

结论

GMR不只是一种普通的隔离技术,更是用于高速和超高速数据传输系统的隔离技术。其几乎无需能量的信息传输和微小的外形可保证势垒传播时间在亚纳秒级范围之内。ISL32704E数据表中规定的纳秒级传播延迟主要归功于I/O缓冲器和收发器。

GMR隔离器并不取代光隔离器(适合DC至1Mbps应用),而是在高和超高频率应用中提供补充隔离功能。GMR隔离器是唯一能够抵抗单粒子效应和电离总剂量辐射的隔离器,因此还适于航天和军工应用。

作者:Thomas Kugelstadt,Intersil公司

《电子技术设计》2017年9月刊版权所有,转载请注明来源及链接。

20160630000123