隔離技術在嵌入式系統(tǒng)接口中的應用

　1 隔離技術的簡介及應用場合

　　在許多應用中，數據鏈路之間需要(甚至是必要的)非直接的(導電)電連接，從而在提供數據的同時避免來自系統(tǒng)某一部分的危險電壓(或電流)對其另一部分造成破壞。造成這種破壞性失效的可能是電源質量低劣、接地故障、雷擊和浪涌等各種故障。此外，通信節(jié)點的間距可能相當大，常常由不同接地區(qū)域的AC插座來給這些節(jié)點供電，這些接地區(qū)域之間的電位差(可能含有DC偏壓、50 Hz的AC諧波和各種瞬態(tài)噪聲分量)也會造成破壞。

　　在工程實際使用中，經常發(fā)生通過電纜邏輯接地或屏蔽將這些地線連接在一起的情況，可能形成接地環(huán)路，且電流將流入該電纜。接地環(huán)路電流會對通信產生嚴重影響(包括數據惡化、EMI過大、元件損壞)，當電位差足夠大時，人體就有遭受電擊的可能。為了避免上述破壞，可引入非直接的(導電)電連接(稱作“隔離”)。進行隔離是為了消除噪聲并且防止電流在兩通信端之間流動。隔離電路具有相對于其他電路元件極高的阻抗，從而“切斷”了由電路路徑形成的環(huán)路；斷開環(huán)路后，噪聲電壓將出現在隔離層上而非接收機或其他敏感組件上。隔離原理如圖1所示。

　　一般在兩種情況下會采用隔離技術：①有可能存在損壞設備或危害人員的潛在電流浪涌，如醫(yī)療上的應用、電機控制、交通戶外設備等方面；②存在不同電位的接地回路的互連。這兩種情況都是采用隔離來避免電流通過，而允許兩點之間有數據或功率傳送。隔離普遍應用于包含高壓、高速或高精度的通信、長距離通信的場合，常見的有工業(yè)輸入／輸出系統(tǒng)、接口方面、總線、電源、電機控制、儀器儀表等。

　　2 隔離技術的分類

　　當前有3種通常的隔離技術：光電隔離、變壓器隔離(電感隔離)、電容隔離。此外，還有ADI公司的一項專利隔離技術，即磁耦(iCoupler)隔離技術。其中，光電隔離、電容隔離、磁耦隔離都屬于數字隔離，而電感隔離通常僅用于電源或模擬隔離器，而非數字隔離器件。

　　光耦合技術是在透明絕緣隔離層(例如空氣間隙)上的光傳輸，完成了電一光電的轉換，從而起到輸入、輸出隔離的作用。光耦合技術的主要優(yōu)點是，光對外部電子或磁場內在的抗干擾性強，而且光耦合技術允許使用恒定信息傳輸。光耦合器的不足之處主要體現在速度限制、功耗以及LED老化上。

　　變壓器隔離使用變壓器線圈來使傳輸信息通過隔離層，隔離前端的電流變化通過線圈引起隔離另一側的電流變化。Ac信號(例如以太網)的隔離非常適合于變壓器耦合。變壓器隔離的優(yōu)點是速度高，而且可以給隔離端供電；缺點是易受外部磁場(噪聲)的干擾且變壓器的體積比較大。

　　電容耦合使用不斷變化的電場來通過隔離層實現信息傳輸。電容器極板之間的材料是電介質絕緣體，即隔離層。電容隔離層的優(yōu)勢是效率高，無論在體積、能量轉換還是在抗磁場干擾方面均如此。與變壓器不同的是，電容耦合的缺點在于無差分信號，并且噪聲與信號共用同一條傳輸通道。這就要求信號頻率應遠高于可能出現的噪聲頻率，以便使隔離層電容對信號呈現低阻抗，而對噪聲呈現高阻抗。如同電感耦合一樣，電容耦合也存在帶寬限制。磁耦隔離技術是ADI公司的一項專利隔離技術，它是一種基于芯片尺寸的變壓器，而非傳統(tǒng)的基于光電耦合器所采用的發(fā)光二極管(LED)與光敏三極管結合。采用iCoupler技術的數字隔離器利用平面磁場專利隔離技術，并采用iCoupler變壓器專利技術集成變壓器驅動和接收電路，同時不再需要驅動LED的外部電路，具有低功耗、高集成度等特點。

　　3 隔離技術的具體應用

　　3．1 隔離技術在RS485／RS422中的應用

　　RS485／RS422 作為強健的接口標準，采用雙絞線電纜連接并具有寬共模電壓范圍內差分信號傳輸的低噪聲耦合特性，允許在高達10 Mbps的信號傳輸速率下進行數據交換。盡管該標準已被廣泛接受，但是它在實際應用中的一些具體問題并沒有得到深入的認識，甚至存在著種種誤區(qū)(比如接地、隔離及瞬態(tài)保護并沒有在實際使用中得到正確的應用)，以至于影響到整個系統(tǒng)的性能。在實際應用中，RS485／RS422通信大多采用圖2所示的3種方式。

　　對于圖2(a)的設計，遠程數據連接通常存在很大的地電位差(GDP)，該電位差到了發(fā)送器的輸出上就成了共模噪聲。如果這種噪聲過大，就可能超過接收器的輸入共模噪聲容限，從而造成器件損壞。圖2(b)中的設計方法對高阻型共模干擾有效，由于干擾源內阻大，短接后不會形成很大的接地環(huán)路電流，對于通信不會有很大影響。但當共模干擾源內阻較低時，會在接地線上形成較大的環(huán)路電流，耦合到數據線中成為共模噪聲，影響正常通信。圖2(c)實際上是在接地線上加限流電阻限制干擾電流，但大地接地回路的存在使數據鏈路對回路中其他地方產生的噪聲非常敏感。

　　總的來說，圖2(c)的方案比前兩種合適，但建立長距離數據鏈路的最可靠的方法是通過數字隔離方案來隔斷接地回路，其單節(jié)點設計如圖3所示。

　采用圖3所示方法時，總線收發(fā)器的信號線和電源線與本地信號和電源是相互隔離的。該設計有2個關鍵：

　?、倨涓綦x器件可以選用ADI公司iCoupler產品的ADuM141x，也可以選用TI公司的IO72xx數字隔離器。其中IO72xx是數字電容性隔離工藝應用的數字隔離器，接收數字輸入并產生干凈的數字輸出，同時防止源自輸入參考地的噪聲電流及過電壓的干擾。

　?、谠擃惛綦x器件都具有雙電源、地，分別接系統(tǒng)內部電源、地和通信接口芯片的電源、地，同時雙電源、地通過隔離型DC-DC變換器進行隔離?；蛘呤褂肁DI 公司采用iCoupler技術的DC-DC隔離電源轉換器isoPower系列的ADuM524x來實現隔離部分和隔離型DC-DC部分的集成簡化方案，但需要注意的是ADuM5241的隔離電源的驅動能力可能不夠。

　　圖4給出的是多個隔離型．RS485／RS422收發(fā)器組網的詳細連接?？偩€節(jié)點以菊花鏈或總線拓撲方式聯網，總線上每臺設備的工作地是不相連的，每個節(jié)點都必須通過很短的線頭連接到主線纜。RS485／RS422盡管是差分傳輸，但對RS485網絡來講一條低阻的信號地還是必不可少的。一條低阻的信號地將兩個接口的工作地連接起來，使共模干擾電壓被短路，這條信號地可以是額外的一對非屏蔽雙絞線或者是屏蔽雙絞線的屏蔽層。注意，無論怎么連接千萬不能形成工作地回路，否則將會形成很大的環(huán)路電流。特別要注意的是，如果使用了專門的低阻的信號地，再使用屏蔽層保護，就必須屏蔽層單端接某個節(jié)點的收發(fā)器的地，否則就會形成地回路。另外還要注意，所有收發(fā)器中除了一個以外其他均通過隔離連接到總線，圖4中唯一一個未隔離的收發(fā)器為整個總線接口提供單一地參考，噪聲環(huán)境下往往用2個RC低通濾波器替代120 Ω終端電阻，以增強對共模噪聲的濾波。2個濾波器的電阻值應相等(最好采用精密電阻)，以確保2個濾波器具有相同的滾降頻率。

　　3．2 隔離技術在CAN總線中的應用

　　CAN(控制區(qū)域網)屬于串行通信總線，適用于強健的實時控制應用，因此在工業(yè)、交通、控制、測量領域有極廣泛的應用。如果單個CAN-bus節(jié)點設計不當，就會導致總線通信不良，甚至因為收發(fā)器電路而破壞整個CAN網絡的穩(wěn)定性。尤其CAN總線的工作場合經常十分惡劣，在第1節(jié)中提及的任何不利因素均有可能出現在CAN-bus中，所以CAN-bus接地、隔離及瞬態(tài)保護是十分必要的。

　　在以往的設計中，一般可以采用2個高速光耦(6N137)實現電氣上的隔離，1個電源隔離模塊(+5 V轉+5 V)實現電源上的隔離，還需要計算電阻值的大小以搭建出合理的收發(fā)器隔離電路。需要注意的是，僅有高速光電耦合器，卻沒有電源上的隔離，此時的隔離將失去意義。由于這種方式存在著體積偏大、成本偏高的缺點，建議采用電容耦合技術或磁耦隔離技術。隔離型CAN-bus節(jié)點一般是由CAN控制器、CAN收發(fā)器、數字隔離器件組成，具體節(jié)點設計類似圖3所示。但需要注意的是，隔離措施是加在CAN控制器與CAN收發(fā)器之間的，同時需要在CAN-bus總線上加總線保護器件。

　　CAN-bus的隔離原理與RS485／RS422相似，節(jié)點設計原理也相同，只是電器規(guī)定上有所不同。隔離器件可以選用ADI公司iCoupler產品，隔離電壓為2 500 VRMS；也可以選用TI公司的1072xx數字隔離器，隔離電壓為4 000 V RMS。但是都需要隔離型DC-DC變換器來實現總線收發(fā)器的信號線和電源線與本地信號和電源的相互隔離。如果選用ADI公司的集成隔離電源(如 ADuM524x)，則需要考慮電源的驅動能力。如果需要更加簡化電路設計，可以選用廣州致遠電子有限公司的CTM系列模塊，該系列是集電源隔離、電氣隔離、CAN收發(fā)器、CAN總線保護于一體的隔離CAN收發(fā)器模塊，同時也要考慮T系列的節(jié)點驅動問題。

　　所有符合CAN2．O規(guī)范的節(jié)點可以連接在一起，構成一個直線拓撲結構的CAN-bus網絡，在網絡的兩個終端各需要安裝一個120 Ω的終端電阻。如果選用屏蔽電纜線可以將屏蔽層單點接大地(不能形成環(huán)路)，也可以將屏蔽層通過耐高壓的電阻、電容單點接數字隔離器件的地引腳。

　　3．3 隔離技術在信號傳感器中的應用

　　許多硬件設計任務主要圍繞如下方面展開：數／模轉換器(DAC)、模／數轉換器(ADC)、輸入和輸出信號調理、輸入／輸出模塊的電氣連線、控制器之間以及模塊之間的隔離問題。各種傳感器產生的數字信號都傳送到一個中央控制器，進行處理和分析。為了保證用戶接口端電壓的安全性，同時防止瞬態(tài)尖峰的傳輸，需要實現電流隔離。對于傳感器信號隔離，傳統(tǒng)的模擬隔離方案(如隔離放大器AD202)成本太高，可以采用數字隔離方案——AMP→ADC→Digital Isolate→MCU降低成本，如圖5所示。

　　數字隔離器用來將系統(tǒng)現場的ADC、DAC和信號調理電路與數字端的微處理器隔離開來。其中，需要隔離型DC-DC變換器來實現微處理器的信號線和電源線與ADC／DAC的信號和電源的相互隔離。隔離器件可選用ADI公司的iCoupler產品或TI公司的IO72xx數字隔離器。在滿足應用需要的前提下，可以選用ADI公司集成3 750 V電壓隔離的ADC(AD7400)來減輕設計負擔。

　　在完全隔離的系統(tǒng)中，從系統(tǒng)端向現場端提供隔離的電源是另一個要面對的挑戰(zhàn)，而在這方面也涌現了新的解決方案。傳統(tǒng)上，將電源從隔離的一端傳遞到另一端所用的技術包括使用單獨的、尺寸較大的、昂貴的DC-DC變換器，或者設計及接口均較困難的分立器件。目前，一種更好的方法是采用完整的、全部集成化的隔離解決方案。這種方案可以通過微變壓器實現跨越隔離點的信號和電源傳輸，其供電能力達50 mw。例如isoPower系列產品ADuM524x可以提供高達2 500 V的信號和電源隔離度，不僅避免了采用分立的隔離電源，而且降低了隔離系統(tǒng)的總成本，減小了電路板面積，縮短了設計時間。

　　4 瞬態(tài)保護

　　在實際工程使用中，使用了上述數字隔離方案的系統(tǒng)可靠性有了極大的提高，能消除噪聲并且防止電流在兩通信端之間流動，防止瞬態(tài)尖峰在系統(tǒng)內部的破壞性傳播。但是盡管數字隔離器件以內的電路系統(tǒng)沒有損壞，可是接口電路在有強烈的浪涌能量出現時，甚至可以看到收發(fā)器爆裂、線路板焦糊的現象，雖然不至于影響整個系統(tǒng)的安全性，但也造成極大的不便。

　　出現該現象的原因：雖然隔離“切斷”了由電路路徑形成的環(huán)路，噪聲電壓只出現在隔離層上而非接收機或其他敏感組件上，但是接口電路必須要經過強烈能量的考驗。圖4提到的接地措施只對低頻率的共模干擾有保護作用，而對于頻率很高的瞬態(tài)干擾就無能為力了，因為引線電感的作用對高頻瞬態(tài)干擾來講接地線實際等同于開路。這樣的瞬態(tài)干擾可能會有成百上千伏的電壓但持續(xù)時間很短，在切換大功率感性負載(電機、變壓器、繼電器)，閃電等過程中都會產生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以適當防護就會損壞接口。

　　對于這種瞬態(tài)干擾，可以采取瞬態(tài)抑制方法加以防護。實際應用中采用兩級防護措施：使用3個90 V陶瓷放電管(3RM090L-8)(可承受10／700 μs，10／700μs為通信線路中感應出的雷擊電壓波形，表示從零值上升至峰值的時間為10 ms，下降至峰值一半的時間為700μs，8 000V雷擊測試)進行共模防護、差模防護，此時過電壓被大大削弱到500 V左右；再經過PTC(可以采用100～200mA、耐壓250 V以上的自恢復保險絲K250-120U)或10Ω左右的電阻限流。TVS瞬態(tài)抑制二極管的選擇可以根據芯片的工作電壓與耐壓決定，一般略高于芯片最高工作電壓，RS485芯片可以選擇P6KE15CA，RS232芯片可以選擇P6KE18CA。

　　結 語

　　由于本單位的交通戶外設備大多數工作于惡劣環(huán)境，在雷雨多發(fā)期間或由于施工不當(管線分類或接地不合適)經常造成通信的可靠性下降，在采取本文設計的隔離、接地方案后，可靠性有了極大的提高。該方案適合任何需要隔離保護的嵌入式系統(tǒng)設計，因為任何高可靠性的插拔型接口都需要有隔離保護。