解析基于iCoupler技术的全集成式RS-485系统隔离解决方案

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，振荡器的振荡频率高达180MHz，远高于传统DC/DC变换器的振荡频率。isoPower技术的实现，使用户在使用中只提供一侧电源即可。

对于上述的应用案例，我们可以选用ADI isoPower系列中的ADuM5401产品来替代DC-DC隔离电源和三个光耦，从而使PCB空间更加紧凑。

完全集成式iCoupler解决方案

隔离器件的选择主要有两个要求，第一是系统性能要求；第二，就需要考虑空间限制和成本等因素。上面提到的集成DC-DC隔离电源的数字隔离器虽然已经能够满足大部分的应用要求，但是对于空间限制更为严苛的系统，这样的解决方案仍然有些力不从心。如果设计工程师仍然面对这种设计挑战，他们可以选择ADI最新推出的ADM2682E/ ADM2687E，该器件适合于电力、马达、能源控制系统的高压电环境中。

ADM2682E/ ADM2687E是ADI最新推出的首款单芯片5KV RMS信号和电源隔离RS-485收发器，可配置为全双工或半双工。新产品包括1个3通道隔离器、1个带三态输出的差分线路驱动器和1个基于ADI isoPower隔离式DC/DC转换器技术的差分输入接收器。接收器输入阻抗允许多达256个收发器接入总线，ADM2682E的最高传输速率可达16 Mbps。逻辑端兼容3 V／5 V工作电源，总线端5 V供电。RS-485收发器的电气隔离数据为1分钟5000VRMS，符合UL 1577认证要求。

ADM2682E/ ADM2687E驱动器是高电位激活，也可以提供低电位激活，只要在不激活状态使接收器输出端进入高阻态即可。该接收器具有短路电流限制和热关断特性，以此来保护输出端短路和由总线争用引起的额外功耗。该芯片采用16引脚的宽体SOIC封装，额定温度范围为-40℃至+85℃工业温度范围，在该范围内无需任何分立元件就可实现RS-485功能。目前，ADM2682E和ADM2687E驱动器的隔离标准安全和法规认证正在进行中，包括UL(美国保险商实验所)、CSA(加拿大标准协会)和VDE(德国电气工程师协会)认证。

图3：基于ADM2682E/ ADM2687E全双工RS-485节点的电路框架图。

图3是ADM2682E/ ADM2687E针对全双工RS485节点的电路框架图。与分立式竞争产品相比，新款收发器的器件数量最多可减少80%。器件采用单个10 mm x 13 mm表贴封装，最小爬电距离和电气间隙大于8 mm，占用的电路板面积比通常所用的多个分立器件少70%。

ADM2682E/ ADM2687E全集成式特性还包括内部集成了热关断电路以保护器件在故障状况下产生大量的热量。在满负载条件下，ADM2682E/ ADM2687E的功耗大约为650mW。为保证ADM2682E/ ADM2687E应用系统的安全性，热关断电路将驱动器的输出短接到低阻抗源可以获得高的驱动器电流。热感应电路检测在这个条件下的硅片温升，当硅片温度达到150℃度时禁止驱动器输出，直到器件冷却到140℃在再重新启动。隔离器不可能采用散热片，因此为保证器件稳定安全运行，其散热主要依赖于通过GND管脚到PCB的覆铜进行散热。

本文小结：

iCoupler技术一直引领全球隔离技术的发展，提供了隔离与创新特性，采用单封装，是业界种类最齐全的隔离器产品，包括标准数字隔离器、采用isoPower的数字隔离器、集成PWM控制器和变压器驱动器的数字隔离器、USB 2.0兼容型隔离器、隔离式门驱动器、隔离式I²C数字隔离器、隔离式RS-485收发器、隔离式RS-232器件和隔离式Σ-∆型ADC。因此，几乎任何应用都可以找到合适的iCoupler产品来满足您的设计需求。

今年年初，ADI为西门子航空航天业务集团的PowerSCOE系统提供了其高度集成的iCoupler数字隔离解决方案。作为一个先进的卫星电源保护系统，当卫星出现异常时，它能在几微秒内关闭卫星中的数千瓦电源。西门子航空航天业务集团设计该系统时还考虑到其它技术，如智能电网电力监控等，但由于每个通道都包含辅助模拟输入及数字和模拟输出，因此最大的挑战是要确保100个通道彼此隔离。PCB上有100多路模拟和数字I/O，面对如此高的PCB密度，传统的光耦合器和DC/DC转换器解决方案已无能为力。最终ADI高度集成的iCoupler数字隔离器卓越的性能表现获得西门子的信赖，再次验证了iCoupler技术的领先优势。