隔離RS232中的數(shù)字隔離器ADUM1201應(yīng)用設(shè)計(jì)

RS-232是PC機(jī)與工業(yè)通信中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。RS-232接口最初是由美國EIA（電子工業(yè)聯(lián)合會(huì)）規(guī)定的用于計(jì)算機(jī)與終端設(shè)備之間通訊的一種標(biāo)準(zhǔn)，目前已被廣泛的用于系統(tǒng)間的串行通信線路。

RS-232是為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（即只用一對(duì)收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè)計(jì)的，采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。這樣由一對(duì)單向收發(fā)的信號(hào)線來實(shí)現(xiàn)全雙工通信。

由于RS-232的典型應(yīng)用是在系統(tǒng)間的通訊，因此在各系統(tǒng)間的隔離設(shè)計(jì)已經(jīng)變的非常必要。隔離不僅可以保護(hù)器件免受總線上的高壓危害，還可以消除總線上的接地回流，同時(shí)隔離還可以有效的減少系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼與錯(cuò)誤。

傳統(tǒng)的RS232總線隔離方法是光耦合器技術(shù)，使用光束來隔離和保護(hù)檢測(cè)電路以及在高壓和低壓電氣環(huán)境之間提供一個(gè)安全接口。目前一般使用6N137光電隔離器件，以Toshiba公司的6N137為例，該器件工作電壓為5V，最高速率10Mbps，工作溫度一般為0℃到70℃，隔離電壓2500Vrms，并且以DIP8型封裝，每個(gè)芯片僅提供一個(gè)隔離通道。這些性能已經(jīng)限制了6N137在更高要求的環(huán)境中應(yīng)用。因此，ADI公司推出的新型雙通道數(shù)字隔離器ADUM1201以其諸多優(yōu)于光電隔離器件的性能優(yōu)點(diǎn)，在RS232總線以及其他高要求情況下有著廣泛的應(yīng)用前景。

ADUM1201

ADUM1201基于ADI專利的iCoupler數(shù)字隔離器采用平面磁場(chǎng)專利隔離技術(shù)。iCoupler技術(shù)是一項(xiàng)專利隔離技術(shù)，它是基于芯片尺寸的變壓器，而不是基于光電耦合器所采用的LED與光電二極管的組合。iCoupler技術(shù)由于取消了光電耦合器中的光電轉(zhuǎn)換過程，并且采用了iCoupler變壓器專利技術(shù)集成變壓器驅(qū)動(dòng)和接收電路，從而實(shí)現(xiàn)了光電隔離器無法比擬的性能優(yōu)勢(shì)。由于使用晶片級(jí)制造工藝直接在芯片上制造iCouple變壓器，所以iCoupler通道比光電耦合器有效地實(shí)現(xiàn)通道之間的集成以及比較容易地實(shí)現(xiàn)其它半導(dǎo)體功能。

由于沒有光電耦合器中影響效率的光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，所以iCoupler數(shù)字隔離器不需要驅(qū)動(dòng)LED的外部電路，其功耗僅為光電耦合器的1/10到1/50。這種新的基于電磁的隔離方法，在抗高溫影響方面遠(yuǎn)優(yōu)于光耦合器，iCoupler數(shù)字隔離器在125℃高溫環(huán)境下性能和可靠性并不下降，因此可以采用低成本，小體積的SOIC封裝，這樣不但降低了成本還減小了芯片的體積。另外，iCoupler數(shù)字隔離器的隔離通道具有比光電耦合器更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、時(shí)序精度和瞬態(tài)共模抑制能力。其額定隔離電壓是高隔離度光電耦合器的2倍，并且數(shù)據(jù)傳輸速率和時(shí)序精度是其10倍。此外，與光電耦合器不同的是，多通道iCoupler數(shù)字隔離器能在同一芯片內(nèi)提供正向和反向通信通道，這樣就可以使得信號(hào)的傳輸方向更加靈活，簡化了芯片間的硬件連接線路。

由于基于iCoupler技術(shù)，所以ADUM1201具有諸多優(yōu)于光電隔離器的優(yōu)點(diǎn)：

速度更高最高速率可以達(dá)到125Mbps。

功耗更低功耗低于同數(shù)據(jù)傳輸率時(shí)傳統(tǒng)光電隔離器的1/10，最小工作電流0.8mA。

性能更高時(shí)序精度，瞬態(tài)共模抑制力，通道間匹配程度均優(yōu)于傳統(tǒng)光電隔離器。

體積更小集成度更高，印制電路板（PCB）面積為傳統(tǒng)光電隔離器的40％。

應(yīng)用更靈活與傳統(tǒng)光電耦合器不同的是，多通道iCoupler數(shù)字隔離器能在同一芯片內(nèi)提供正向和反向通信通道。

ADUM1201所隔離的兩端有各自的電源和參考地，電源電壓范圍在2.7V到5.5V之間，這樣可以實(shí)現(xiàn)低電壓供電，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。電源和參考地之間需要接入0.01μF到0.1μF電容，以濾除高頻干擾，電容和電源之間的距離應(yīng)該在20mm以內(nèi)，這樣可以達(dá)到更好的濾波效果。由于兩個(gè)隔離通道高度匹配，通道間串?dāng)_很小，并且采用兩通道輸入輸出反向設(shè)計(jì)，非常適合RS232總線雙向收發(fā)的特性，大大簡化可隔離器與所隔離兩端的硬件連接。需要注意的是GND1與GND2是兩個(gè)不同的參考地，否則將達(dá)不到隔離的效果。

另外需要注意的是ADUM1201正常工作時(shí)，兩端的供電源需要同時(shí)上電才能保證ADUM1201兩通道都能正常工作，如果有一個(gè)沒有上電就能導(dǎo)致整個(gè)芯片無法正常工作.

在RS232總線通信中，雙通道數(shù)字式隔離器ADUM1201用來實(shí)現(xiàn)控制器和RS232收發(fā)器之間的電氣隔離，以到達(dá)更好的抗干擾性能。一般放在微控制器和RS232收發(fā)器之間，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的隔離。

下圖是ADUM1201在RS232總線隔離中的典型應(yīng)用電路圖：

圖1 ADUM1201典型應(yīng)用電路圖

其中VDD1和VDD2兩端電源均兼容3.3V/5V.這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)低電壓供電，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗；而且可以實(shí)現(xiàn)輸入輸出信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換。VDD1與VDD2之間的電源隔離，我們采用的是DC/DC電源隔離模塊。RXD、TXD連接的是微控器（MCU）的UART。

ADUM5241

ADuM5241是基于ADI公司專利iCoupler技術(shù)的雙通道數(shù)字隔離器，內(nèi)部集成了50mW低功耗芯片級(jí)尺寸的DC-DC隔離電源，輸出5V，10mA。DC-DC隔離電源采用了ADI專利的isopower技術(shù)，兩個(gè)信號(hào)隔離通道都是采用ADI公司的iCoupler磁耦隔離技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了單芯片封裝中的完全隔離。

ADuM5241提供了兩個(gè)獨(dú)立的隔離通道，5V工作電壓，還可配合其他iCoupler器件實(shí)現(xiàn)更多通道的隔離組合。

ADUM5241可直接用于RS232的隔離，其典型應(yīng)用電路圖如下：

圖2 ADUM5241典型應(yīng)用電路圖

其內(nèi)部集成一個(gè)5V-5V的內(nèi)部DC/DC隔離電源，當(dāng)VDD1輸入一個(gè)5V的外接電源時(shí)，VISO會(huì)輸出一個(gè)+5V/10mA的電壓?？梢詾楹蠖说腞S232收發(fā)器供電；但當(dāng)前端輸入3.3V電壓的時(shí)候，內(nèi)部DC/DC隔離電源則不工作，后端的VISO需另外接電源供電。

當(dāng)我們一個(gè)系統(tǒng)需要多個(gè)外接串口的時(shí)候，用ADUM5241與ADUM1201配合使用，無論從成本上，還是從應(yīng)用上都是最佳選擇。

ADM3251E

ADM3251E是一款高速、單通道RS-232收發(fā)器，采用單電源供電。這款器件非常適于工作在苛刻的電氣環(huán)境，或頻繁插拔RS-232電纜的環(huán)境中。

ADM3251E集成了雙通道數(shù)字隔離器以及isoPower集成隔離電源。由于內(nèi)置ADI公司iCoupler?技術(shù)的芯片級(jí)DC-DC轉(zhuǎn)換器，因此無需外部分立的隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器。

ADM3251E的典型應(yīng)用電路圖如下（圖3），圖中的插針1、2可直接連接MCU的UART，C1、C2是ADM3251E的兩個(gè)去耦電容，VISO 可實(shí)現(xiàn)5V的穩(wěn)定輸出，前端的VCC兼容3V/5V工作電壓（3V工作時(shí)，內(nèi)部DC/DC不工作，需雙端供電）。ADM3251E的高集成度使得原來復(fù)雜的多分立器件RS232系統(tǒng)，真正的可以單個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)，不僅節(jié)約了PCB面積，而且降低了研發(fā)成本，可以說是工業(yè)RS232接口的首選。

圖3 ADM3251E典型應(yīng)用電路圖

小結(jié)

隔離芯片ADUM1201處于系統(tǒng)的中間，做各系統(tǒng)間的電氣隔離，它比傳統(tǒng)的光電隔離具有更好的性能，ADUM1201消除了傳統(tǒng)光電隔離器不確定的傳輸速率，非線性的傳輸函數(shù)，以及溫度和壽命對(duì)器件的影響，不需要其他的驅(qū)動(dòng)和分立元件，提供了更加穩(wěn)定的轉(zhuǎn)化性能，而且在相同的信號(hào)傳輸速率下功耗只有光電隔離器的1/10到1/6。由圖1可見，ADUM1201以單一芯片實(shí)現(xiàn)了RS232系統(tǒng)之間的電氣隔離，而且ADUM1201采用雙轉(zhuǎn)化通道，兩通道方向相反的特殊結(jié)構(gòu)，非常適合于CAN總線信號(hào)的傳輸，大大簡化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，同時(shí)，由一個(gè)隔離芯片代替以往的兩個(gè)，大大增加了通道間的匹配程度，使系統(tǒng)獲得更好的隔離性能。

本文介紹雙通道數(shù)字式磁隔離器ADUM1201在RS232通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，由于ADUM1201的優(yōu)良特性，用ADUM1201代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光電隔離器件，降低了系統(tǒng)功耗，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的性能。為RS232隔離的實(shí)現(xiàn)提供了一種很好的解決方案。