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解析基于iCoupler技术的全集成式RS-485系统隔离解决方案

• 2011年4月22日，北京地铁10号线地面信号设备遭雷击，导致部分车站出现乘客滞留现象。无独有偶，刚刚于2011年6月30日开通的京沪高铁，7月份也因暴雨和雷击所导致的供电设备故障，发生了三次“趴窝”事件(分别是7月10日、12日与13日）。虽然截至目前，我们仍然不知道上述两起事故背后的真正原因到底是什么，但是接二连三的事故，却使得人们再次对“防雷电”以及“电气隔离”设计的重要性敲响了警钟。

  作为大家熟悉的一插件电感器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 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隔离变压器的核电感器生产厂家心，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iCouple插件电感r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AD电感器生产I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工电感器型号作电源，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

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