在工業過程控制、電源調節和計算機之間的點對點通信等應用中，串行通信總線通過各種類型的物理網絡(如RS-232、RS-485和控制器局域網(CAN))傳輸數據。每個相互連接的系統通常都有自己的電源，而且這些系統通常相距很遠，因此通常需要電隔離來斷開接地回路，保護系統免受高壓瞬變的影響，并減少信號失真，以及物理安全。

隔離

變壓器，耦合電容器，光耦合器，現在，我耦合器-是提供電流隔離的典型手段，它阻止電流在兩點之間流動，同時允許數據暢通無阻地通過(圖1)。隔離用于防止由線路浪涌或接地回路引起的高壓或電流，這可能發生在任何具有多條接地路徑的系統中。被長電纜隔開的系統接地電位不相同，因此接地電流將在兩個系統之間流動。如果沒有隔離，這種電流可能會引入噪聲，降低測量精度，甚至破壞系統組件。

在工業環境中，由于電機開關、靜電放電(ESD)或附近的雷擊而感應耦合到長電纜中的電流會導致地電位的快速變化，通常高達數百伏或數千伏。當這種情況發生時，遠程系統所期望的邏輯電平開關信號將被疊加在相對于其本地地的高電壓上。如果沒有隔離，這個電壓可能會破壞信號或損壞系統。將所有連接到總線上的設備連接到一個地將保護系統免受這種破壞性能量的影響，并且隔離設備將防止接地回路和電涌。

為了使系統完全隔離，所有的信號線和電源都必須隔離。隔離的dc- dc轉換器可以提供電源隔離，而我耦合器數字隔離器提供信號隔離。

我耦合器技術

我與光耦合器中使用的led和光電二極管相比，耦合器隔離器是基于芯片級變壓器的磁耦合器(圖2)。平面變壓器使用CMOS金屬層，加上放置在鈍化層頂部的金層。金層下面的高擊穿聚酰亞胺層使頂部變壓器線圈與底部絕緣。連接到頂部和底部線圈的高速CMOS電路提供每個變壓器與其外部信號之間的接口。晶圓級處理提供了一種低成本的方法，可以在單個封裝中集成多個隔離通道以及其他半導體功能。我耦合器技術消除了與光耦合器相關的不確定電流傳遞比、非線性傳遞函數和漂移(隨時間和溫度);降低功耗高達90%;并且消除了對外部驅動器或分立設備的需求。

變壓器初級側的電路將輸入邏輯轉換編碼為1ns脈沖，然后通過變壓器耦合;二次側的電路檢測它們并重建輸入信號，如圖3所示。輸入端的刷新電路確保即使不存在輸入轉換，輸出狀態也與輸入狀態匹配。這在上電情況和低數據速率或恒定直流輸入的輸入波形中很重要。

因為我耦合器產品是為了隔離輸入和輸出，變壓器一側的電路必須包含在一個單獨的芯片上，與變壓器另一側的電路分開。變壓器本身可以放置在任一芯片上，也可以放置在第三個芯片上，如圖4所示的ADuM140x。整個芯片組組裝在一個標準的塑料包裝類似于用于各種半導體器件。

的新特點我耦合器設備是它們在同一封裝中組合發送和接收信道的能力。的我耦合器變壓器本質上是雙向的，所以只要在變壓器的每一邊都有適當的電路，信號就可以在任何一個方向上傳遞。以這種方式，多通道隔離器提供各種發送/接收通道配置。

串行通信總線

RS-232 (EIA232)和RS-485 (EIA/TIA485)規范僅定義物理層，允許用戶定義信號協議，或由其他標準指定其在物理層中的使用。另一方面，CAN總線定義了物理層和數據鏈路層。

rs - 232:RS-232總線標準是最流行的串行通信總線之一，最初于1962年指定用于計算機和調制解調器之間的通信。作為系統間通信鏈路，它仍然被廣泛使用，它的簡單性、靈活性和長期成功使用的歷史說明了它的持續流行。設計用于點對點通信，它提供全雙工通信使用兩個專用的，不平衡的單端線路與地面參考信號。

數據速率限制在20kbps，或者在低壓變化中限制在64kbps。最大實際電纜長度被限制在約16米由2500-pF最大負載電容和3-kohm至7-kohm負載阻抗。RS-232指定邏輯1的驅動器輸出電平為- 5v至- 15v，邏輯0的驅動器輸出電平為+ 5v至+ 15v，邏輯1的接收器輸入電平為- 3v至- 15v，邏輯0的接收器輸入電平為+ 3v至+ 15v。-3 V和+ 3v之間的電壓沒有定義。寬電壓擺幅和未定義區域確保了高水平的抗噪性，并允許在長電纜上接收有效的信號電平。

RS-232規范定義了帶有20條信號線的25針D連接器的引腳，但如圖5所示，帶有8條信號線的9針連接器更為常見。在每個方向上使用一條線進行數據傳輸;其余的線路是為通信協議指定的。最簡單的是，RS-232可以用三條線實現:Tx(傳輸數據)，Rx(接收數據)和GND(接地)。保護接地，用于設備安全，在25針連接器中定義。這條線通常連接到電源地或機箱地，不應該連接到信號地或系統到系統。

RS-232標準將設備分為兩類:DCE(數據通信設備)和DTE(數據終端設備)。這些名稱是他們的計算機和現代遺產的遺產;這些術語現在簡單地定義了哪些線連接為輸入，哪些連接為輸出。

RS-232通常用于連接多個系統，因此每個系統和總線之間的隔離至關重要。數字隔離器不支持RS-232標準，因此不能在收發器和電纜之間使用;相反，它們在收發器和本地系統之間使用。收發器的系統端通常連接到通用異步接收器/發射器(UART)或處理器，使用0 V至3 V或0 V至5 V邏輯電平。因為輸入和輸出電路的我耦合器隔離器彼此是電隔離的，一個可以放在UART和收發器之間，作為將系統與電纜隔離的簡單方法。為了完成隔離，使用隔離dc- dc轉換器為隔離器和收發器供電。ADuM1402的組合我如圖6所示，耦合器數字隔離器、ADM232L RS-232收發器和隔離電源消除了接地回路，并提供了有效的保護，防止浪涌損壞。

rs - 485:RS-485標準指定驅動多達32對驅動器和接收器。它的多功能性和驅動4000米電纜的能力使其在廣泛的應用中廣受歡迎，特別是在非常長距離的互連系統中。小型計算機系統接口(SCSI)和PROFIBUS協議都使用RS-485進行通信。

可用的電纜長度取決于數據速度要求，速度/長度組合范圍從1200米時的200 kbps到100米時的12 Mbps。使用平衡差分信號，RS-485驅動程序通過兩條輸出線發送數據。接收機通過比較兩個信號來確定邏輯狀態;大于200mv的差值提供有效的邏輯電平。驅動器和接收器中的差分放大器引導信號線之間的電流。與RS-232等單端方案相比，這提供了高水平的抗噪性。

使能功能允許驅動器進入高阻抗狀態;因此，多個驅動程序可以共享單個總線而不會產生爭用。軟件協議定義了總線仲裁程序，使除一個驅動器外的所有驅動器始終處于非活動狀態，并允許多達32個驅動器共享線路。半雙工、2線雙向配置如圖7所示。每個節點包含驅動器和接收器，所有驅動器和接收器共享同一根2線雙絞線電纜。雖然這簡化了安裝并降低了成本，但它限制了最大吞吐率。4線全雙工配置(使用一個節點作為主節點，其余節點作為從節點)更復雜，但提供更高的數據速率。

由于RS-485通常用于連接多個系統，因此每個系統和總線之間的隔離至關重要。與RS-232一樣，數字隔離器不支持RS-485標準，因此它們不能在收發器和電纜之間使用;相反，它們在收發器和本地系統之間使用。收發器的系統端通常連接到本地總線或處理器。由于輸入和輸出電路的我耦合器隔離器彼此是電隔離的，在處理器和收發器之間插入一個是將系統與電纜隔離的簡單方法。為了完成隔離，使用隔離dc- dc轉換器為隔離器和收發器供電。ADuM1301組合我圖8所示的耦合器數字隔離器和隔離電源消除了接地回路，并提供有效的保護，防止浪涌損壞。

圖9顯示了ADM2486單片隔離RS-485收發器。

CAN總線:CAN總線標準最初是為汽車應用開發的，規定了一種2線串行通信協議，允許數據速率高達1mbps，最多可容納30個節點，最大電纜長度為40米。它以幀的形式傳輸異步數據，幀由起始和停止位、仲裁字段、控制字段、循環冗余校驗(CRC)字段和確認字段組成。每個節點可以同時監聽和傳輸，因此該協議的一個最重要的特點是它的非破壞性比特仲裁，這確保了沒有數據丟失。每個節點在每條消息的開頭發送一個主導消息起始位(SOM)。其他節點將看到此活動，并且在消息完成之前不會嘗試開始傳輸。接下來，發送11位或29位仲裁字段。也稱為標識符，該字段對總線上發送的消息進行優先級排序。優先級最高的節點總是控制總線，讓優先級較低的節點等待。這種非破壞性的仲裁確保了最高優先級的消息總是能夠通過。

CAN總線如圖10所示，使用平衡的2線差分接口，通常工作在3v或5v。使用非歸零(NRZ)編碼，確保具有最小數量的轉換和高抗噪性的緊湊消息。CAN總線收發器使用一對開漏器件來創建CANH (V(CC) - 0.9 V)到CANL (1.5 V)的差分信號。當驅動時，發射器產生主導信號，代表邏輯低電平。當沒有發射機驅動時，上拉電阻將總線設置為V(CC)/2，產生隱性信號，表示邏輯高電平。備用控制將收發器置于低功耗模式。低功耗接收器在待機模式期間保持活動狀態，監視總線的狀態變化，并在檢測到活動時向控制器發送信號以激活本地節點。

與RS-232和RS-485一樣，數字隔離器不支持CAN總線標準，因此它們不能在收發器和電纜之間使用;相反，它們使用標準的3-V或5-V邏輯電平在收發器和本地CAN控制器之間使用。因為輸入和輸出電路的我耦合器隔離器彼此是電隔離的，將系統與電纜隔離的一種簡單方法是在處理器和收發器之間插入一個。為了完成隔離，使用隔離dc- dc轉換器為隔離器和收發器供電。的結合我如圖11所示，耦合器數字隔離器和隔離電源消除了接地回路，并提供了有效的保護，防止浪涌損壞。

更多關于我耦合器

數字隔離器基于我在集成度、性能、功耗、易用性和可靠性方面，耦合器技術可以與光耦合器進行比較。我耦合器設備是獨立的，除了通常的旁路電容器外，不需要額外的組件;它們通常更快，具有更高的數據速率(到100 Mbps)和更短的傳播延遲(18 ns);它們的功耗(從5兆瓦@ 1 Mbps到22兆瓦@ 25 Mbps)是同類光耦合器的1/70到1/5，相鄰組件的加熱可以忽略不計;它們可以像標準數字CMOS一樣使用;它們可以在更高的溫度下工作——傳播延遲基本上對溫度不敏感;而且它們的壽命更長，LED不會損耗。它們具有與高質量光耦合器相似的安全認證。目前可用的我耦合器設備的絕緣額定電壓為2.5 kV rms(穩態400 V rms)，未來的改進幅度有望超過50%。

充分披露

因為《對話》不是一本烹飪書，這些例子基本上說明了如何我耦合器技術可用于網絡通信;它們不是測試應用程序的詳細原理圖。請查閱產品數據表和任何可用的應用說明(見下文)以獲取更多信息。與往常一樣，在使用高壓電路時要格外小心。