簡介
工業(yè)和儀器儀表 (I&I) 應用的一個關鍵要求是具有可靠的數(shù)據(jù)接口,，用于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(shù)據(jù)傳輸標準；盡管有謠傳稱其很快消亡,，但其實它現(xiàn)在仍然是短線通要在惡劣的工業(yè)環(huán)境下實現(xiàn)魯棒的數(shù)據(jù)通信鏈路,，RS-232診斷端口必須在RS-232電纜網(wǎng)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(zhuǎn)換器技術實現(xiàn),。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(xiàn),。
圖1. 典型的隔離式RS-232通信鏈路
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(shù)字數(shù)據(jù),，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,。
圖2. 隔離功能
實現(xiàn)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(shù)據(jù)鏈路 ,，則必須對數(shù)據(jù)信號線路和用于驅(qū)動該電纜的電源進行隔離,。來自診斷端口上UART的數(shù)據(jù)需要跨越隔離柵并傳輸至隔離總線側(cè)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(cè)上的RS-232收發(fā)器供電,。工業(yè)PC端也同樣需要如此：數(shù)據(jù)和電源均需要跨越隔離柵（圖3）,。
通過將器件與RS-232電纜網(wǎng)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(xiàn)的接地環(huán)路。RS-232總線上可能出現(xiàn)的高共模電壓不能跨越隔離柵,，從而保護隔離數(shù)據(jù)的用戶,。
圖3. 隔離式RS-232接口
隔離技術：數(shù)據(jù)和電源
圖4比較了兩種主要隔離技術。i技術（圖4(a)）利用厚膜工藝技術構(gòu)建可實現(xiàn)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(zhuǎn)換為光,，光電檢測器則用于將光轉(zhuǎn)換回為電信號,。電光轉(zhuǎn)換本身的低轉(zhuǎn)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,。
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。i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—集成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,。
圖4. 隔離技術比較
直到最近，跨越隔離柵傳輸電源需要使用單獨的DC/DC轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(xiàn)信號和電源傳輸。這是對我們完善iCoupler r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(xiàn)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,。
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,。
圖5. 隔離式RS-232設計比較
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(shù)據(jù)隔離,。每條數(shù)據(jù)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(qū)動器IC來驅(qū)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(xiàn)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i結(jié)合，用于提供RS-232數(shù)據(jù)信號的信號隔離,。它還集成iso技術,，以提供片內(nèi)電源隔離。通過將iCoupler 和isoPower離技術相結(jié)合而集成RS-232收發(fā)器,，ADM3252E能夠在單個封裝(12 mm × 12 mm)內(nèi)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。
圖6. ADM3252E隔離,、雙通道RS-232收發(fā)器
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(shù)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,。
iso技術能夠直接在44引腳BGA封裝的芯片上提供2.5 kV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(shù)據(jù)）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
- 接觸放電：±15 kV
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?qū)е聜鬏斿e誤數(shù)據(jù),，從而使數(shù)據(jù)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(xiàn)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(gòu)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(jīng)過生產(chǎn)測試：
-
UL認證
- 1分鐘2,500 V rms,，符合UL 1577
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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(shù)據(jù)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(shù)字隔離通道（兩個發(fā)射,，兩個接收）和一個isoPower芯片級DC/DC轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)速率為460 kbps。片內(nèi)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(xiàn)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(jié)構(gòu)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
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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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）。
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
結(jié)論
如今,，工業(yè)和儀器儀表應用中的RS-232接口鏈路需要尺寸小,、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能夠顯著縮短設計時間,，并為這些要求苛刻的應用提供一種緊湊、可靠,、低成本的高性能解決方案,。