硬件设计36讲(硬件设计100个基础知识)

导语：硬件设计基础应用（一）：ＲS485、422 磁隔离技术与应用设计

1 隔离技术

隔离是电磁兼容性中的重要技术之一，目前主要采用的隔离技术包括光电隔离、磁隔离、电气( 电容) 隔离等技术。本文主要分析光电隔离和iCoupler 磁隔离。

1.1 光电隔离

光电隔离器是以光为媒介来传播电信号，它是把发光器件( 如发光二极管) 、光敏感器件( 如光敏半导体管) 和信号放大器集成在一起来实现的。当输入电信号时可驱动发光器件发光，光探测器接收到光线之后产生光电流，再经信号放大后输出，从而实现了光电的传输和转换。因其是以光为媒介来进行信号的传输，在电气上没有直接相连，所以达到了在电气上的隔离作用。

光电耦合器的不足之处主要体现在速度限制、功耗以及LED 老化上，同时光电耦合器的隔离阻抗会随着频率的提高而降低，抗干扰效果也就随之降低。

1 .2 iCoupler 磁隔离

iCoupler 磁隔离技术是由美国ADI( Analog Devices Inc) 公司设计开发的一项适合高压环境的隔离电路专利技术，而非传统的基于发光器件与光敏感器件的结合。其核心原理是采用芯片级尺寸脉冲变压器耦合技术，当一个信号输入之后，会首先经过施密特触发器整形，再经过编码电路，之后才是脉冲变压器耦合，最后经过解码电路与施密特触发器输出。此外，在电路的输入端还有一个刷新电路可以保证即使在没有跳变信号输入的情况下，输出状态也能与输入的状态保持一致。iCoupler 数字隔离器利用了平面磁场专利技术，并集成变压器驱动和接收电路，不再需要外部驱动

器或分立元件，因此在功耗、体积、集成度、速度等各方面都优于光电耦合。而且能满足电源以及其它高隔离度环境下的隔离要求，非常适合在各种工业上的应用，包括数据通信、总线隔离以及其它多通道隔离等。

2. 传统ＲS485 /422 接口隔离电路传统ＲS485 /422 接口隔离电路所采用的主要是光电隔离技术，其接口电路是由2 或3 个快速光电

隔离器、ＲS485 /422 收发器件以及电源隔离模块等组成，如图1 所示。

图1 传统半双工ＲS485 /422 接口隔离电路

图中以光电隔离器TLP521-1Y 为例来说明传统ＲS485 /422 接口隔离电路，它是一种高速晶体管输出光电隔离器，具有较强的传输效率和抗干扰能力。VCC 与VCC485 是两组不共地的电源，通常采用隔

离型DC-DC 来实现; 通过光电隔离器来实现信号的隔离传输，且ADM487 与MCU 系统不共地。此电路可有效抑制高共模电压的产生，降低ADM487 的损坏率，提高系统的稳定性。传统ＲS485 /422 接口隔离电路的优点是价格便宜，隔离效果较好。但其缺点是所用的器件较多，占用PCB 面积大，电路繁琐。再加上光电耦合器在传输速率、功耗以及LED 老化上受到限制，故对整个

系统的稳定性会产生一定的影响。

3 ADM2587E 芯片

ADM2587E 是ADI 推出的集成了iCoupler 数字隔离的隔离型ＲS485 /422 收发器，具备± 15 kV ESD保护功能，适合于多点传输线路上的高速通信应用。它在单个封装内集成了一个三通道隔离器、一个三态差分线路驱动器、一个差分输入接收机和一个采用isoPower 技术的DC-DC 隔离电源转换器，其内部结构如图2 所示［2］。

采用iCoupler 专利技术设计的数字隔离器，不仅直接在芯片上制造iCoupler 变压器，而且还在芯片的输入/输出集成了施密特触发器、译/解码电路、校正与看门狗电路，如图3 所示。当数据输入到iCoupler器件后，首先会经过一个施密特触发器对信号进行滤波整形，然后经译码电路将信号变成脉冲信号，经过脉冲变压器耦合之后，再进入解码电路还原波形，最后再经过一个施密特触发器滤波整形，输出理想方波。而校正与看门狗电路保证器件可以工作在低速率和直流信号的状态下。

ADM2587E 的其它特色功能:

1) 隔离式ＲS485 /ＲS422 收发器，可配置为全双工或半双工;

2) 集成isoPower 的隔离型DC-DC 转换器，无需外加DC-DC 电源;

3) 通讯速率500 kb /s，可完全支持115 200 波

特率;

4) 具有开路、短路及故障保护功能; 5) 具有热关断保护功能

图2 ADM2587E 功能框图

4 磁隔离型ＲS485 /422 接口电路设计

本方案采用ADM2587E 单芯片来实现ＲS485 /422 接口的完全隔离。ADM2587E 带有ＲE /DE 使能控制引脚，故支持半双工和全双工ＲS485 /422 接口隔离。其电路分别如图4 和图5 所示。从图4 与图5 中可以看出，通过控制使能引脚ＲE /DE 及A、B、Z、Y 就可实现半双工或全双工通信。图中GND1 是隔离侧地，这4 个

地在芯片内部是连接的，但在实际使用中最好在外部做物理连接，这样隔离效果更好; GND2 是总线端地，同样推荐外部连接。VCC 是隔离侧电源，由于在ADM2587E 内部集成了采用isoPower 技术的DCDC隔离电源转换器，故只需单电源即可在芯片内部实现隔离侧与总线端的隔离供电。并且由于内部DC-DC 属于高频器件，所以输入输出电源旁必须要加旁路电容进行滤波，通常情况下在每路输入输出电源旁加0． 1 μF 与10 μF 的电容，如图中C1—C8 所示。VISOOUT 引脚是ADM2587E 内部隔离电源的输出引脚，而VISOIN 引脚是内部集成ＲS485 /422 收发器的电源输入引脚，在正常使用时外部必须连接起来给总线端供电。与传统的光耦隔离电路相比，本隔离电路最明显的优势就是只需一片ADM2587E 芯片就可完全解

决ＲS485 /422 接口隔离问题，而且电路设计简单，使得PCB 节省60% ～ 70%左右。其次，ADM2587E 芯片所采用的磁隔离技术是基于芯片级变压器传输原理，信号传输时几乎不存在能量损耗，能以极低的功耗实现150 Mbps 的高速数据隔离，而光电隔离鲜有如此高的传输速率。相同速率下，其功耗仅为光电隔离的1 /10 ～ 1 /6。最后iCoupler 磁隔离消除了与光耦合器相关的不确定电流传送比率、非线性传送特性以及随时间漂移和随温度漂移问题，且其内部含有施密特电路，能够对输入输出的电路滤波整形，可直接与各种高速控制芯片连接。

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