在需要隔離式SPI的應(yīng)用中最大限度地提高性能和集成度

SPI是一種非常有用且靈活的標(biāo)準(zhǔn)，但其靈活性源于其簡(jiǎn)單性。四個(gè)單向中速隔離通道將處理SPI至幾MHz的時(shí)鐘速率。設(shè)計(jì)人員放棄的是中斷服務(wù)支持和直接通信通道（如復(fù)位功能）或來(lái)自未啟用SPI功能的警報(bào)等功能。結(jié)果是，使用 SPI 的實(shí)際接口經(jīng)常有額外的 GPIO 線路并行運(yùn)行來(lái)處理這些功能。當(dāng)SPI被隔離時(shí)，所有這些線路都需要隔離。在許多情況下，額外的通信不需要高速，因此設(shè)計(jì)人員會(huì)選擇批準(zhǔn)的器件清單，將幾個(gè)光耦合器放在SPI所需的高速數(shù)字隔離器旁邊。但光耦合器的設(shè)計(jì)并不像數(shù)字隔離器那么簡(jiǎn)單，尤其是簡(jiǎn)單的低速光耦合器?？赡苄枰婚T關(guān)于光耦合器CTR（電流傳輸比）如何隨時(shí)間和溫度變化以及它如何影響應(yīng)用中速度的速成課程。如果額外的通信在多個(gè)方向上，則需要多個(gè)封裝，因?yàn)槿绻嵌嗤ǖ榔骷?，光耦合器通道必須在同一方向上傳輸?shù)據(jù)。隨著設(shè)計(jì)的制定，尺寸、成本和投入的時(shí)間會(huì)迅速增加。

采用基于i耦合器的數(shù)字隔離器的隔離式SPI?

SPI總線使用四個(gè)高速數(shù)字或光隔離通道可輕松隔離。四通道數(shù)字隔離器能夠以緊湊的外形實(shí)現(xiàn)隔離，同時(shí)通常支持5 MHz至10 MHz SPI時(shí)鐘速率。無(wú)論是基于集成微變壓器、電容器還是光耦合器，信號(hào)都需要跨越隔離柵傳輸。在當(dāng)前的隔離技術(shù)中，存在兩種主要的編碼方案來(lái)耦合輸入信號(hào)：邊沿編碼和電平編碼。電平編碼方案允許較低的傳播延遲隔離器，并且通常消耗較高的空閑功率，并且具有較差的時(shí)序性能（抖動(dòng)和PWD）。另一方面，邊緣編碼方案具有更低的功耗和更好的時(shí)序性能。但是，許多基于邊緣的實(shí)現(xiàn)具有更長(zhǎng)的傳播延遲，這會(huì)限制SPI總線中的時(shí)鐘速度。我們將探索消除這種限制并允許隔離非常高性能SPI總線的技術(shù)。

在邊沿編碼方案中，輸入數(shù)字轉(zhuǎn)換跨越隔離柵進(jìn)行編碼。然后通過(guò)解碼這些轉(zhuǎn)換在輸出側(cè)再現(xiàn)數(shù)字輸入。圖1中的示例波形（A型）顯示了如何對(duì)輸入邊沿進(jìn)行差分編碼。上升和下降輸入轉(zhuǎn)換分別編碼為窄正脈沖和負(fù)脈沖。

只要數(shù)字輸入在切換，這種信號(hào)傳輸就可以正常工作，但如果發(fā)生輸入到輸出的直流電平不匹配，除非得到糾正，否則它們可能會(huì)持續(xù)存在。這在上電期間數(shù)據(jù)通道空閑時(shí)最為明顯;沒(méi)有任何東西跨越隔離柵傳輸輸入引腳的直流狀態(tài)，在傳輸邊沿之前，啟動(dòng)狀態(tài)可能與輸入數(shù)據(jù)不匹配。為了解決這個(gè)問(wèn)題，邊緣編碼方案采用某種形式的“刷新”電路來(lái)確保輸出端的直流正確性。刷新通過(guò)在預(yù)設(shè)持續(xù)時(shí)間（T刷新） 的輸入不活動(dòng)。圖1還顯示了邊緣編碼方案示例（B型波形）中的刷新。

圖1.跨越隔離柵的編碼波形示例。A型和B型分別是帶有和不帶刷新信號(hào)的編碼波形。

在波形中，即使輸入信號(hào)沒(méi)有在上升沿和下降沿之間轉(zhuǎn)換，也會(huì)跨越勢(shì)壘傳輸多個(gè)編碼的上升轉(zhuǎn)換，以刷新接收器狀態(tài)并確保其處于高電平狀態(tài)。很容易看出，除了確保上電時(shí)正確的輸出狀態(tài)外，刷新電路還有助于在輸出狀態(tài)損壞并與輸入狀態(tài)不同步時(shí)糾正輸出狀態(tài)。該方案消耗空閑功率，因?yàn)榫幋a數(shù)據(jù)不斷傳輸。

由于邊緣編碼方案中需要刷新，因此了解此方案中固有的時(shí)序影響非常有用。從圖1中的波形可以看出，輸入轉(zhuǎn)換和刷新信號(hào)都通過(guò)同一隔離通道傳輸，但在時(shí)間上是分開的。由于輸入信號(hào)與內(nèi)部刷新發(fā)生電路完全異步;輸入轉(zhuǎn)換可能會(huì)在傳輸上一個(gè)轉(zhuǎn)換的刷新的同時(shí)發(fā)生。這可能導(dǎo)致接收器的定時(shí)問(wèn)題，從而導(dǎo)致邏輯錯(cuò)誤。為了避免這種時(shí)序沖突誤差，刷新電路需要在信號(hào)路徑中添加一些“前瞻”延遲。延遲可確?？缭狡琳系木幋a信號(hào)之間的最小間隔，因此允許接收器明確解碼任何編碼傳輸序列。缺點(diǎn)是這種延遲會(huì)顯著增加隔離器的傳播延遲，從而限制其隨著速度的增加滿足SPI時(shí)序約束的能力。

幸運(yùn)的是，可以解決此限制。如果輸入轉(zhuǎn)換和刷新狀態(tài)在不同的隔離元件上傳輸，然后在輸出端合并，則無(wú)需任何前瞻延遲及其伴隨的時(shí)序損失。將這一想法擴(kuò)展到多通道隔離器，所有通道的刷新狀態(tài)可以在單個(gè)隔離通道上進(jìn)行時(shí)間復(fù)用，然后解復(fù)用并與各自的輸出合并?；旧?，輸入狀態(tài)被采樣、打包并跨越隔離柵串行傳輸。接收器跟蹤輸入直流狀態(tài)，然后根據(jù)輸入保持非活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間，在使用直流狀態(tài)或上次輸入轉(zhuǎn)換之間進(jìn)行仲裁以更新輸出。只需一個(gè)額外的數(shù)字隔離器通道即可承載所有刷新狀態(tài)，我們可以將所有輸入通道從前瞻延遲中解放出來(lái)，讓它們只攜帶輸入開關(guān)信息，從而顯著改善傳播延遲。圖 2 說(shuō)明了這一想法。

圖2.帶有專用第三隔離通道的框圖，承載輸入1和2的時(shí)間復(fù)用刷新。

ADI公司的SPIsolator系列高速數(shù)字隔離器采用該方案在SPI通道上實(shí)現(xiàn)極低的傳播延遲，從而實(shí)現(xiàn)高達(dá)17 MHz的高帶寬隔離SPI總線實(shí)現(xiàn)。額外的隔離器通道攜帶刷新信息，并用于傳輸各種其他低吞吐量信號(hào)，方法是將數(shù)據(jù)復(fù)用為在隔離中來(lái)回傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包。這實(shí)現(xiàn)了除SPI串行數(shù)據(jù)位之外的其他通信，從而實(shí)現(xiàn)了多功能但高度集成的隔離式SPI總線。?

帶輔助數(shù)據(jù)通道的 SPI

某些版本的SPIsolator產(chǎn)品系列在多路復(fù)用刷新通道上捆綁了三個(gè)250 kbps輔助（AUX）數(shù)字通道。三種不同的產(chǎn)品變體允許為這些輔助通道進(jìn)行多通道方向配置。即使輔助通道是異步的，它們也會(huì)在通過(guò)單個(gè)隔離通道傳輸之前進(jìn)行采樣和分組。根據(jù)通道輸入相對(duì)于內(nèi)部采樣時(shí)鐘的切換時(shí)間，這些輔助通道的傳播延遲最多可以變化2.6 μs。異步輔助信號(hào)的采樣和序列化也會(huì)將它們同步到內(nèi)部采樣時(shí)鐘。如果慢速信號(hào)之間的精確時(shí)序很重要，這可能會(huì)導(dǎo)致時(shí)序問(wèn)題，特別是對(duì)于1.2 μs或更短時(shí)間窗口內(nèi)的精度。幸運(yùn)的是，典型SPI總線周圍的輔助信號(hào)很少需要彼此之間如此精確的時(shí)序關(guān)系。更重要的是，這種低速數(shù)據(jù)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，只要邊沿之間至少間隔最小偏斜（V伊克斯庫(kù)).換言之，如果一個(gè)邊沿在輸入端領(lǐng)先于另一個(gè)邊沿，則隔離器不會(huì)顛倒順序。

通用 SPI 接口示例

在圖3中，我們可以看到一個(gè)典型的SPI應(yīng)用，需要一個(gè)1 MHz SCLK、4線SPI和三個(gè)額外的信號(hào)，用于中斷、電源良好和復(fù)位。低速通道可能只需要40 μs的prop延遲。選擇這些參數(shù)是為了允許檢查所有組件選項(xiàng)。時(shí)序完全在所有主要隔離器類型的能力范圍內(nèi)，因此我們可以比較集成對(duì)解決方案尺寸和成本的影響，而與性能無(wú)關(guān)。以下是一些實(shí)現(xiàn)選項(xiàng)：

使用所有光耦合器

SPI使用數(shù)字隔離器，慢信號(hào)通道使用光耦合器

使用完全集成的數(shù)字隔離器，如ADI SPI隔離器

圖3.典型的SPI應(yīng)用，具有通過(guò)多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的補(bǔ)充功能。

示意性地，解決方案看起來(lái)并沒(méi)有太大的不同。但是，如果我們看一下圖4，我們可以看到IC在PCB上的布局。紅框大致表示隔離元件所需的面積，并為所需的無(wú)源元件留出空間。

圖4.典型的SPI應(yīng)用，具有光耦合器實(shí)現(xiàn)的補(bǔ)充功能。

從混合速度光耦合器解決方案作為基準(zhǔn)開始，許多設(shè)計(jì)人員將考慮將標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器與非常便宜的光耦合器相結(jié)合，認(rèn)為這是實(shí)現(xiàn)低速信號(hào)的最經(jīng)濟(jì)有效的方法。解決方案之間的面積差異很大程度上是因?yàn)閿?shù)字隔離器允許在單個(gè)封裝內(nèi)混合通道方向，從而避免了大量的封裝開銷?；旌霞夹g(shù)解決方案可能具有成本效益，但會(huì)給設(shè)計(jì)帶來(lái)額外的損失和穩(wěn)定性問(wèn)題。廉價(jià)的光耦合器速度慢，而且由于簡(jiǎn)單，需要一些思考和研究才能構(gòu)建成功的設(shè)計(jì)。必須注意確保它們?cè)跁r(shí)間和溫度下保持穩(wěn)定，同時(shí)最大限度地降低功耗。

從光耦合器解決方案到完全集成的解決方案（如ADI ADuM3152 SPI隔離器）的面積減少了近75%。

SPI隔離器中的集成解決方案具有通道間速度差和脈沖階反轉(zhuǎn)的內(nèi)置保護(hù)功能，無(wú)設(shè)計(jì)開銷，也無(wú)需額外的電路板空間。集成解決方案中提供的低速通道還支持明顯高于單晶體管光耦合器的數(shù)據(jù)速率。該集成解決方案的成本遠(yuǎn)低于光耦合器解決方案的一半，并且以比分立式光耦合器更低的單位通道成本提供低速通道?？紤]到SPI性能，ADuM3152數(shù)字隔離解決方案可以支持時(shí)鐘速率高達(dá)17 MHz的SPI，因?yàn)閭鞑パ舆t非常短，而光耦合器“快速”通道可以以合理的成本工作到3 MHz。

解復(fù)用SSB以控制多達(dá)4個(gè)從站

在ADuM3154產(chǎn)品變體中，使用250 kbps、低速、2通道地址總線來(lái)控制隔離式從機(jī)選擇地址線（SSx），允許在短短2.6 μs內(nèi)更改目標(biāo)從器件。圖6顯示了使用通用隔離器和ADuM3154的實(shí)現(xiàn)方案。圖 5 顯示了如何更改地址位 （SSAx） 時(shí)的 SSx 轉(zhuǎn)換。

圖6.典型的多從SPI應(yīng)用。

圖7.典型的SPI應(yīng)用，具有光耦合器實(shí)現(xiàn)的補(bǔ)充功能。

ADuM3154使用2位地址總線將主從選擇（MSS）路由至四個(gè)從機(jī)之一。這些地址總線位是低速信號(hào)，再次與常規(guī)四個(gè)高速SPI通道的刷新狀態(tài)捆綁在一起。與刷新狀態(tài)一樣，地址位都經(jīng)過(guò)采樣、打包并通過(guò)隔離柵串行傳輸。在從機(jī)端，數(shù)據(jù)包被反序列化，地址位用于解復(fù)用MSS。 根據(jù)地址總線相對(duì)于內(nèi)部采樣時(shí)鐘的切換時(shí)間，解復(fù)用器在2.6 μs內(nèi)將MSS信號(hào)路由到所需的從機(jī)。地址位是總線的一部分，必須彼此同步。在采樣和序列化過(guò)程中要特別注意，以確保這些地址位在輸出端保持同步，特別是在從一個(gè)選定的從站轉(zhuǎn)換到另一個(gè)從站期間。

多從SPI接口示例

常見的SPI設(shè)計(jì)要求是與共享同一SPI總線的多個(gè)從器件通信。這可以通過(guò)幾種方式完成。如果數(shù)據(jù)將同時(shí)從所有次級(jí)側(cè)設(shè)備采樣，并且所有數(shù)據(jù)每幀傳輸一次，那么最簡(jiǎn)單的方法是將部件菊花鏈連接在一起，并通過(guò)單個(gè)隔離端口串行移出鏈的全部?jī)?nèi)容。但是，當(dāng)數(shù)據(jù)采集順序不固定時(shí)，必須單獨(dú)對(duì)每個(gè)SPI從站進(jìn)行尋址。這給隔離接口帶來(lái)了特殊的挑戰(zhàn)。

如果必須單獨(dú)尋址每個(gè)從站，則每個(gè)設(shè)備必須具有單獨(dú)的從站選擇線。在許多情況下，從機(jī)選擇不僅為SPI通信選擇特定目標(biāo)，而且還在ADC中啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，因此該線路還必須具有高精度的時(shí)序。在許多實(shí)現(xiàn)中，這需要一個(gè)與時(shí)鐘通道速度相當(dāng)?shù)念~外隔離通道，以保持時(shí)序。4通道隔離式SPI設(shè)計(jì)如圖6所示，其中標(biāo)準(zhǔn)的4個(gè)高速隔離通道增加了3個(gè)額外的高速隔離通道。

另一種從站選擇方法如圖6的右側(cè)所示。副邊使用多路復(fù)用器，低速隔離選擇線路可用于選擇目的地。必須小心切換多路復(fù)用器控制線，以便在時(shí)序有點(diǎn)偏差時(shí)，它們不會(huì)跳到不正確的中間狀態(tài)。該方案通過(guò)SPI隔離器器件中提供的低速通道實(shí)現(xiàn)，并且由于應(yīng)用定義明確，因此可以內(nèi)置不確定狀態(tài)的保護(hù)措施，以防止小的時(shí)序誤差產(chǎn)生瞬態(tài)輸出狀態(tài)。

歸根結(jié)底，當(dāng)任何技術(shù)都可以支持性能時(shí)，最佳設(shè)計(jì)選擇歸結(jié)為易于實(shí)施、尺寸和成本。圖 7 顯示了三種可能的實(shí)現(xiàn)方式。從左到右是使用七個(gè)隔離通道的簡(jiǎn)單光耦合器解決方案，接下來(lái)是使用數(shù)字隔離器的相同方案，最后是SPI隔離器的集成多路復(fù)用器功能。光耦合器解決方案是最大的，而數(shù)字隔離器是其72%，SPI隔離器僅占用36%的PCB空間。這三種解決方案的成本比例相似，SPIsolator方法明顯低于替代方案。

結(jié)論

在設(shè)計(jì)高性能隔離式SPI解決方案時(shí)，SPI隔離器產(chǎn)品系列使用多路復(fù)用控制通道支持具有極低傳播延遲的高速SPI，并最大限度地提高輔助功能的集成度。SPI通道與補(bǔ)充功能的組合可以方便地設(shè)計(jì)高度集成的隔離式SPI總線，同時(shí)減少設(shè)計(jì)時(shí)間、成本和電路板空間。

審核編輯：郭婷