隔離是防止電流在兩個通訊點之間流動,但允許資料和功率訊號在其間傳輸的一種手段。隔離可防止高電壓對敏感電子元件造成損壞或對人造成傷害,另外它還可以透過大的地電位差消除通訊鏈路中的接地回路,來保持訊號完整性。

過去十年,法規發生了變化,要求在惡劣環境中運行的機器和設備對其資料傳輸系統實施隔離。現在的趨勢是從原來的單通道隔離式系統向利用多通道隔離技術的應用轉變,由此產生了新型隔離元件。這些應用中有許多涉及電信、工業網路、醫療系統、感測器介面、電機控制和驅動系統,以及儀表中的資料傳輸。

本文重點討論符合RS-485標準(目前仍是業內最主要的資料傳輸標準)的隔離式數位介面,並將提出RS-485共模電壓範圍(CMVR)的定義,解釋應怎樣隔離收發器的訊號和供電通路與本地控制器電路,才能使其承受巨大的共模電壓。最後,本文將介紹一種基於巨磁阻(GMR)技術的新型RS-485隔離器,並討論其相對於其他隔離技術的優點。

共模電壓範圍

RS-485標準規定的共模電壓範圍為-7V~+12V。圖1顯示了該範圍,包括驅動器輸出共模電壓(VOC)、驅動器和接收器地線(GPD)間的接地電位差和縱向耦合雜訊(VN)。

20170914TA01P1 圖1 非隔離式RS-485資料連結中的VCM:VCM = VOC + GPD + VN

驅動器用於產生圍繞共模分量VCM=VCC/2的對稱差分輸出(VD),使得在一個輸出端的線路電壓VA=VCC/2±VD/2,在互補輸出端的電壓VB=VCC/2∓VD/2。

接收器僅處理規定CMVR範圍內的差分訊號,並抑制共模分量。這透過等量減弱共模和差分訊號的內部分壓器來實現(圖2),然後用差分比較器在兩個減弱輸入訊號之間建立壓差,從而只放大差分分量。

分壓器代表每個接收器輸入和接收器地線之間的共模電阻(RCM),所以資料連結的整個共模電壓會在這些電阻上下降。這意味著對於標準收發器,其接收器必須準確地檢測整個CMVR範圍(-7V~+12V)內的差分輸入電壓。

為適應較高的共模電壓(VCM),如±25V,收發器匯流排I/O級經過重新設計,使驅動器輸出電晶體具有較高的峰值電壓,接收器分壓器具有較高的分壓比,這就需要更高的電阻值。

對於非常高的共模電壓(如幾百 V),則需要插入電流隔離勢壘(galvanic isolation barrier),以消除收發器匯流排端子上的高電壓。

20170914TA01P2 圖2 接收器等效電路圖(a),其共模表示(b)和進一步簡化的VCM等效電路(c)。

隔離擴大CMVR

圖3所示為隔離式資料連結,僅接收器與其本地控制器隔離,正確的電流隔離必須包括電源和資料線路。對於電源埠,隔離式DC/DC轉換器可將以大地為參考的微控制器電源軌VCC2和GND2轉換為收發器的隔離浮動電源軌VCC2-ISO和GND2-ISO

資料路徑隔離透過數位訊號隔離器(ISO)提供。隔離器的匯流排側由VCC2-ISO和GND2-ISO供電,隔離器的控制器側由VCC2和GND2供電。

因為電流總是返回電源,所以接收器的隔離電源軌與驅動器的非隔離電源軌之間不會相互影響。

20170914TA01P3 圖3 隔離式RS-485資料連結的VCM

圖3清楚地顯示了以大地為參考的地線GND1與GND2之間仍然存在接地電位差(GPD),如同訊號對導體與GND2之間的共模電壓一樣。然而,隔離勢壘已將接收器地線與GND2解耦,從而將其轉換為浮動地線(GND2-ISO)。

圖4的隔離式接收器節點的共模等效電路解釋了這種設計。因為隔離勢壘的巨大電阻(RISO=1014Ω)是與阻值小很多的接收器共模電阻(RCM=105Ω)串聯,整個VCM在RISO上實現了壓降,消除了接收器上的共模影響(VRcm=0V)。另外,GND2-ISO電位可跟蹤接收器輸入電壓,因此無需擔心超出接收器的最大輸入電壓(相對於接收器地線)。由於VCC2-ISO還以GND2-ISO為參考,所以無論共模電壓水準如何,隔離式接收器上的供電電壓值都會保持在合適水準。

20170914TA01P4 圖4 RISO上的VCM壓降。

請注意,圖3和圖4顯示了僅對接收器(Rx)資料路徑的隔離。隔離式RS-485節點需要四個通道(圖5)來處理發射和接收資料路徑,以及發射和接收啟用訊號。

20170914TA01P5 圖5 隔離式RS-485匯流排節點。

在點對點連接中,為防止接地回路,只隔離一個節點(另一個節點不隔離)已經足夠。但在多點資料連結中,常見做法是隔離所有匯流排節點,以重複利用電路節點設計,簡化PCB生產。圖6是隔離式多點匯流排的示例。

20170914TA01P6 圖6 隔離式多點匯流排。

最新的RS-485隔離方法將隔離器與收發器功能整合在一個晶片中,在匯流排節點設計顯著節省了空間。圖7中的ISL32704E隔離器採用的是GMR技術,這可實現最小但最穩健的隔離結構,從而進一步實現小型化設計。

20170914TA01P7 圖7 4Mbps、2.5kV RS-485隔離器。

例如,利用最佳化的佈局和設計技術能夠製造圖7所示的4×5mm隔離器QSOP封裝,並在44000年勢壘壽命期間維持600V的巨大工作電壓。這比提供2.5kV功能隔離的競爭技術的400V工作電壓高了一半。另外,該元件已通過UL和VDE認證。

圖8顯示GMR隔離器的工作原理。其中,緩衝輸入訊號驅動主線圈,線圈產生的磁場可改變GMR電阻器1-4的阻值。GMR1至GMR4形成惠斯通電橋(Wheatstone bridge),產生僅對主線圈磁場變化做出反應的電橋輸出電壓。不過,大的外部磁場被視為共模場,並因此被電橋配置抑制,電橋輸出被饋入比較器,該比較器的輸出訊號的相位和形狀與輸入訊號完全相同。

20170914TA01P8 圖8 單通道GMR隔離器。

圖9描述了單個GMR電阻器的功能。該電阻器由鐵磁合金層B1和B2,以及夾於其間的超薄非磁性導電中間層A(通常為銅)組成。根據GMR的結構設計,在沒有磁場的情況下,B1和B2中的磁矩朝向相反的方向,使重電子散射在A層上,從而大幅增加其對電流I的電阻。當施加磁場H時,B1和B2中的磁矩對齊,從而減輕電子散射現象,這會降低A層的電阻並增加電流。

20170914TA01P9 圖9 多層GMR電阻器。

電容性和磁性隔離器必須使用RF載波或脈衝寬度調變(PWM)來穿過勢壘傳送DC和低頻訊號,GMR隔離器則無需此類複雜的編碼。它們也不包含會消耗極大電流的電力輸送線圈或變壓器,因為其訊號傳輸幾乎不消耗能量。以上因素不僅可以使電流消耗顯著降低(表1),還使發射光譜的輻射低到幾乎檢測不到(圖10)。此外,由於GMR隔離器沒有RF載波的脈衝列干擾,其EMI非常低。

20170914TA01P9-1 表1 供電電流隨資料速率的增加而增加。

20170914TA01P10* *圖10 幾乎檢測不到GMR隔離器輻射。

結論

GMR不只是一種普通的隔離技術,而是用於高速和超高速資料傳輸系統的隔離技術。其幾乎無需能量的資訊傳輸和微小的外形,可保證勢壘傳播時間在亞奈秒(ns)級範圍之內。ISL32704E資料表中規定的ns 級傳播延遲主要歸功於I/O緩衝器和收發器。

GMR隔離器並不取代光隔離器(適合DC至1Mbps應用),而是在高和超高頻率應用中提供補充隔離功能。GMR隔離器是唯一能夠抵抗單粒子效應和電離總劑量輻射的隔離器,因此還適於航太和軍工應用。