【導讀】工業(yè)和儀器儀表(I&I)應用的一個關鍵條件是具有可靠的數據接口，用在通過診斷端口檢查相連系統(tǒng)。RS-232 總線標準是I&I應用中使用最早也最廣泛的物理層總線設計標準之一。RS-232最初于 1962 年推出，是一種單端數據傳輸標準；盡管有謠傳稱其很快消亡，但其實它現在仍然是短線通信行業(yè)廣泛采用的一種通信標準。
要在惡劣的工業(yè)環(huán)境下實現魯棒的數據通信鏈路，RS-232 診斷端口必須在 RS-232 電纜網絡與相連系統(tǒng)之間提供一個隔離接口，以預防高噪聲環(huán)境中的電壓尖峰和接地環(huán)路并提高系統(tǒng)穩(wěn)定性（圖 1）.RS-232 通信鏈路的電源隔離利用隔離式 DC/DC電源或 ADI 公司的 isoPower®集成式 DC/DC 轉換器技術實現。
RS-232 通信鏈路的信號隔離利用光耦合器或 ADI 公司的iCoupler®技術實現。
圖 1. 典型的隔離式 RS-232 通信鏈路
圖 2. 隔離功能
如圖 2 所示，隔離柵在 RS-232 總線和與該總線相連的每個系統(tǒng)之間提供電隔離，既允許在兩點之間傳輸數字數據，又可防止接地環(huán)路電流流過；這樣可以消除耦合到通信電纜上的噪聲，從而降低信號失真和誤差。
實現隔離式 RS-232 接口
要提供隔離式 RS-232 通信接口，兩端的器件必須與所連的RS-232 電纜相互隔離。要隔離數據鏈路，則必須對數據信號線路和用于驅動該電纜的電源進行隔離。來自診斷端口上UART 的數據需要跨越隔離柵并傳輸至隔離總線側上的RS-232 收發(fā)器。本地 5 V/3.3 V 電源也需要跨越隔離柵來為隔離總線側上的 RS-232 收發(fā)器供電。工業(yè) PC 端也同樣需要如此：數據和電源均需要跨越隔離柵（圖 3）.通過將器件與 RS-232 電纜網絡隔離開來，診斷端口和工業(yè) PC電路均受到保護，不受惡劣環(huán)境下可能耦合到 RS-232 電纜上的瞬變影響。隔離還可以中斷因診斷端口和工業(yè) PC 端存在不同接地電位而可能出現的接地環(huán)路。RS-232 總線上可能出現的高共模電壓不能跨越隔離柵，從而保護隔離數據的用戶。
隔離技術：數據和電源
圖 4 比較了兩種主要隔離技術。iCoupler 技術（圖 4(a)）利用厚膜工藝技術構建可實現 2.5 kV 隔離的微型片上變壓器，從而在 RS-232 系統(tǒng)中提供信號隔離。較古老但廣泛采用的光耦合器解決方案（圖 4(b)）則采用發(fā)光二極管(LED)和光電二極管。LED 用于將電信號轉換為光，光電檢測器則用于將光轉換回為電信號。電光轉換本身的低轉換效率導致功耗相對較高；光電檢測器的慢速響應則限制其速度；而老化問題會限制其使用壽命。
圖 3. 隔離式 RS-232 接口
圖 4. 隔離技術比較
通過使用晶圓級工藝直接在片上制造變壓器，iCoupler通道能以較低成本相互集成以及與其它半導體功能集成在一起。
ADM3252E即是這樣的一個例子，它是一個緊湊器件中的隔離式雙通道RS-232 收發(fā)器。iCoupler隔離技術至少在以下五個方面克服了舊式光耦合器解決方案所造成的限制：集成（由于iCoupler支持雙向操作，因此可縮小總體尺寸并降低系統(tǒng)成本）、性能更高、功耗更低、易于使用且可靠性更高。
直到最近，跨越隔離柵傳輸電源需要使用單獨的 DC/DC 轉換器或定制分立方法，前者體積相對較大、價格昂貴且隔離不充分，后者則體積龐大且難以設計。即使是在隔離式 RS-232 數據通信等只需少量隔離電源的應用中，這些方法也一直是唯一可行的替代方案。
為了解決這一問題，ADI 公司研發(fā)并制造了一款完整的全集成式解決方案，利用微變壓器跨越隔離柵實現信號和電源傳輸。這是對我們完善 iCoupler 技術的延伸，是一種突破性的替代方案，稱為 isoPower。在單個器件中便可實現高達 2.5 kV 的信號和電源隔離，因而無需體積龐大、價格昂貴且難以設計的隔離電源。它可以顯著縮減典型隔離式 RS-232 接口的電路板面積、設計時間和隔離系統(tǒng)總成本。下文介紹兩種適用該技術的典型RS-232 設計情況。
圖 5. 隔離式 RS-232 設計比較
隔離、高速雙通道 RS-232 接口
圖5將使用分立元件的傳統(tǒng)解決方案與完全集成式解決方案進行了比較。實施完全隔離式雙通道 RS-232 接口（圖 5(a)）的傳統(tǒng)方式是采用光耦合器來提供 RS-232 鏈路的數據隔離。每條數據線路（TIN1、TIN2、ROUT1、ROUT2）需要一個光耦合器以及一個外部緩沖器。隔離電源采用變壓器驅動器 IC 來驅動分立變壓器，并與簡單的整流電路和 LDO（低壓差穩(wěn)壓器）一起來凈化隔離式 5 V 或 3.3 V ISO VCC供電軌。實施時，該設計需要八個 IC 和若干無源元件，并需占用極大的電路板面積。在圖5(b)所示的單芯片解決方案中，可利用一個IC (ADM3252E)、兩個去耦電容和四個電荷泵電容來為所有四路信號實現一個完全隔離式(2.5kV)雙通道 RS-232 接口。
ADM3252E（圖 6）將一個標準 RS-232 收發(fā)器與一個 4 通道iCoupler 結合，用于提供 RS-232 數據信號的信號隔離。它還集成 isoPower 技術，以提供片內電源隔離。通過將 iCoupler和isoPower隔離技術相結合而集成RS-232收發(fā)器，ADM3252E能夠在單個封裝(12 mm × 12 mm)內提供具有 2.5 kV rms 隔離性能的完全隔離式 RS-232 接口，并且只需六個外部電容。
該單芯片解決方案能夠顯著縮減隔離式 RS-232 接口所需的設計時間和電路板面積。由于 PCB 上的元件數量明顯減少，因此能夠降低制造成本并提高可靠性。此外，ADM3252E 無需進行任何修改，便可用于 5 V 或 3.3 V 應用，避免了分立設計所必須進行的設計更改。
isoPower 技術能夠直接在 44 引腳 BGA 封裝的芯片上提供 2.5kV 電源隔離，因而無需傳統(tǒng)解決方案中所用的昂貴分立變壓器。此外，iCoupler 技術能夠提供信號（數據）隔離，因而無需四個分立式光耦合器通道。
ESD 保護
因為 RS-232 電纜要由用戶親手連接和斷開，因此 RS-232 發(fā)射(Tx)和接收(Rx)引腳（TxD1、TxD2、RxD1、RxD2）的 ESD（靜電放電）保護非常重要，以確保接口穩(wěn)定可靠。ADM3252E在RINx和TOUTx上的ESD保護能力符合 IEC 1000-4-2 (801.2)標準，具體如下所示：
接觸放電：±8 kV
氣隙放電：±15 kV
圖 6. ADM3252E 隔離、雙通道 RS-232 收發(fā)器
瞬變保護
為使 RS-232 收發(fā)器能夠在工業(yè)應用中極其惡劣的工作條件下工作，隔離技術（iCoupler 和 isoPower）提供高共模瞬變抗擾度(>25 kV/μs)，該抗擾度是指在維持額定工作時能保持的最大共模電壓（邏輯和總線端的電位差）壓擺率。瞬變幅度是共模電壓壓擺的范圍。共模電壓壓擺率適用于共模電壓的上升沿和下降沿。該規(guī)格確保惡劣環(huán)境下耦合到 RS-232 電纜上的任何瞬變無法損壞 RS-232 收發(fā)器或導致傳輸錯誤數據，從而使數據鏈路具有極高穩(wěn)定性。
2.5 kV 隔離保護和認證
隔離收發(fā)器能夠在器件的邏輯和總線端之間提供 2.5 kV 的隔離。該隔離額定值確保邏輯端沒有電流能夠進出 RS-232 電纜。它還確保不會有電壓或瞬態(tài)耦合到 RS-232 電纜進而到達邏輯端。2.5 kV 隔離保護還意味著，可保護邏輯端的用戶不受RS-232 電纜上可能出現的高電壓或瞬變影響。ADM3252E 的2.5 kV 隔離額定值正在接受下列機構的認證：美國保險商實驗所(UL)、德國電氣工程師協(xié)會(VDE)和加拿大標準協(xié)會(CSA)。
UL 1577 認證要求所有 ADM3252E 器件的隔離柵（與光耦合器一樣）都要 100%經過生產測試：
* UL 認證
* 1 分鐘 2,500 V rms，符合 UL 1577
* VDE 合格證書
* IEC 60747-5-2 (VDE 0884, Part 2)
* VIORM = 560 V 峰值
* CSA 元件驗收通知#5A
ADM3252E 規(guī)格
ADM3252E 是一款雙通道、高速、全隔離式（數據和電源）RS-232 收發(fā)器，非常適合在電氣條件惡劣的環(huán)境下工作，或頻繁插拔 RS-232 電纜的場合。它集成了四個獨立的 iCoupler數字隔離通道（兩個發(fā)射，兩個接收）和一個 isoPower 芯片級DC/DC 轉換器，提供 2.5 kVrms 隔離，25 kV/μs 瞬變抗擾度和±15 kV ESD 保護。它符合 TIA/EIA-232E 規(guī)范，最高通信數據速率為 460 kbps。片內倍壓器和反相器支持單電源工作。
ADM3252E 采用 3.0 V 至 5.5 V 單電源供電，無負載時功耗為20 mA。它采用 12 mm × 12 mm 的 44 引腳 CSP BGA 封裝，額定溫度范圍為–40°C 至+85℃，千片訂量報價為 8.49 美元/片。
PCB 布局
隔離收發(fā)器的PCB布局對于確保在實際設計中實現2.5 kV的額定隔離性能至關重要。主要考慮因素是邏輯端GND和總線端GND之間的爬電距離（沿殼體最短距離)和電氣間隙（最短空氣距離）。ADM3252E的邏輯接口不需要外部電路。輸入和輸出供電引腳需要電源旁路（圖 7）。欲了解有關PCB布局指南和輻射(EMI)控制結構的更多信息，請參考AN-0971 應用筆記“isoPower器件的輻射控制建議”。
圖 7. ADM3252E 推薦的印刷電路板布局
圖8. 單通道 RS232 收發(fā)器應用 (a) ADM3251E 規(guī)格(b) 傳統(tǒng)方法 (c) iCoupler + isoPower 方法
隔離、高速單通道 RS-232 接口
對于只需單通道（1 Tx、1 Rx）5 V隔離式RS-232 接口的收發(fā)器應用，ADM3251E提供一個 20 引腳寬體SOIC封裝的單芯片解決方案。ADM3251E收發(fā)器整合iCoupler和isoPower隔離技術，也是第一款能提供數據線路與電源二者完全隔離的表面貼裝RS-232 收發(fā)器。它具有 2.5 kV隔離額定值，符合工業(yè)標準隔離要求（UL1577 和DIN VDE 0884-10）。這可確保達到高噪聲工作環(huán)境中所要求的魯棒性，如工業(yè)自動化和控制應用中的隔離式RS-232 診斷數據端口。與傳統(tǒng)IC相比，表貼(SMT)封裝可使電路板空間減少 45%，有助于加速制造工藝并降低系統(tǒng)開發(fā)成本（圖 8）。
結語
目前，工業(yè)和儀器儀表應用中的 RS-232 接口鏈路需尺寸小、性能可靠、成本低且隔離良好。通過將芯片級變壓器隔離與標準 RS-232 接口收發(fā)器相集成，可以通過單芯片、全隔離式RS-232 收發(fā)器（含隔離電源）來提供上述優(yōu)勢。雙通道ADM3252E 和單通道 ADM3251E 可以明顯縮短設計時間，并給這些要求嚴苛的應用提供一種緊湊、可靠、低成本的高性能解決方案。
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