在工業過程控制，電源調節和計算機之間的點對點通信等應用中，串行通信總線通過各種物理網絡傳輸數據，如RS-232 ，RS-485和控制器區域網（CAN）。每個互連系統通常都有自己的電源，系統通常需要長距離分離，因此通常需要電流隔離來打破接地回路，保護系統免受高壓瞬變的影響，并減少信號失真至于物理安全。

隔離

變壓器，耦合電容，光耦合器 - 現在， i 耦合器 - 是提供電流隔離的典型方法，它可以阻止來自兩點之間流動的電流，同時允許數據暢通無阻（圖1）。隔離用于防止由線路浪涌或接地回路引起的高電壓或電流，這可能發生在具有多個接地路徑的任何系統中。由長電纜隔開的系統接地不會處于相同的電位，因此接地電流將在兩個系統之間流動。如果沒有隔離，這種電流可能會引入噪聲，降低測量結果，甚至會破壞系統組件。

通過電機開關 on 《電感耦合到工業環境中的長電纜中的電流《 / em》和 off ，靜電放電（ESD）或附近的雷擊可能導致地電位的快速變化，通常可達數百或數千伏。當發生這種情況時，遠程系統預期的邏輯電平轉換信號將疊加在相對于其本地接地的高電壓上。如果沒有隔離，此電壓可能會破壞信號或損壞系統。將連接到總線的所有設備引入單個接地將保護系統免受這種破壞性能量的影響，隔離設備將防止接地回路和電涌。

要完全隔離系統，必須隔離所有信號線和電源。隔離式DC-DC轉換器可提供電源隔離，而 i 耦合器數字隔離器提供信號隔離。

i 耦合器技術《 / h3》

i 耦合器隔離器是基于芯片級變壓器的磁耦合器（圖2），與光耦合器中使用的LED和光電二極管相比。平面變壓器使用CMOS金屬層，以及放置在鈍化層頂部的金層。金層下面的高擊穿聚酰亞胺層使頂部變壓器線圈與底部絕緣。連接到頂部和底部線圈的高速CMOS電路提供每個變壓器與其外部信號之間的接口。晶圓級處理提供了一種在單個封裝中集成多個隔離通道以及其他半導體功能的低成本方法。 i 耦合器技術消除了不確定的電流傳輸比，非線性傳遞函數以及與光耦合器相關的漂移（隨時間和溫度）;降低功耗高達90％;并且不需要外部驅動器或分立器件。

變壓器初級側的電路將輸入邏輯轉換編碼為1 ns脈沖，然后通過變壓器耦合;次級側的電路檢測它們并重新創建輸入信號，如圖3所示。輸入側的刷新電路確保輸出狀態與輸入狀態相匹配如果沒有輸入轉換。這對于上電情況以及低數據速率或恒定直流輸入的輸入波形非常重要。

因為 i 耦合器產品的目的是將輸入與輸出隔離，所以變壓器一側的電路必須包含在與電路上的電路不同的芯片上。變形金剛的第二面。變壓器本身可以放置在芯片上或第三個芯片上，如圖4所示的ADuM140x。整個芯片組組裝在標準塑料封裝內，類似于用于各種半導體器件的封裝。

i 耦合器設備的一個新功能是它們能夠在同一個包中同時結合傳輸和接收通道。 i 耦合器變壓器本質上是雙向的，因此只要變壓器的每一側都有適當的電路，信號就可以向任一方向傳遞。通過這種方式，多通道隔離器提供各種發送/接收通道配置。

串行通信總線

RS-232（EIA232）和RS-485（EIA / TIA485）規范僅定義物理層，允許信號協議由用戶定義，或者由指定其在物理層中使用的其他標準定義。另一方面，CAN總線定義了物理層和數據鏈路層。

RS-232： RS-232總線標準是最受歡迎的串行通信總線之一，最初于1962年指定用于計算機和調制解調器之間的通信。它仍然被廣泛用作系統間通信鏈路，其簡單性，靈活性和成功使用的悠久歷史是其持續流行的原因。它專為點對點通信而設計，使用兩條專用的非平衡單端線路和地面參考信號提供全雙工通信。

數據速率限制為20 kbps或64 kbps低壓變化。 2500-pF最大負載電容和3-koh -7-kohm負載阻抗將最大實際電纜長度限制在約16米。 RS-232指定驅動器輸出電平為-5 V至-15 V（邏輯1）和+5 V至+15 V（邏輯0）和接收器輸入電平（-3 V至-15 V）邏輯1和+3 V至+15 V（邏輯0）-3 V和+3 V之間的電壓未定義。寬電壓擺幅和未定義區域確保了高水平的抗噪聲能力，并允許通過冗長的電纜接收有效的信號電平。

RS-232規范定義了25針D型連接器的引腳排列。信號線，但有8條信號線的9針連接器，如圖5所示，更常見。每個方向上的一條線用于數據傳輸;其余行被指定用于通信協議。最簡單的是，RS-232只需三條線即可實現： Tx （傳輸數據）， Rx （接收數據）和GND（地）。用于設備安全的保護接地在25針連接器中定義。該線路通常連接到電源接地或機殼接地，不應連接到信號地或系統與系統之間。

RS-232標準將設備分為兩類：DCE（數據通信設備）和DTE（數據終端設備）。這些名稱是他們的計算機和現代傳統的遺產;這些術語現在只是定義哪些線路作為輸入連接，哪些線路作為輸出連接。

RS-232通常用于連接多個系統，因此每個系統和總線之間的隔離至關重要。數字隔離器不支持RS-232標準，因此不能在收發器和電纜之間使用;相反，它們用在收發器和本地系統之間。收發器的系統側通常使用0 V至3 V或0 V至5 V邏輯電平連接到通用異步接收器/發送器（UART）或處理器。由于 i 耦合器隔離器的輸入和輸出電路彼此電隔離，因此可以將一個放置在UART和收發器之間，作為將系統與電纜隔離的簡單方法。為完成隔離，隔離式DC-DC轉換器用于為隔離器和收發器供電。 ADuM1402 i 耦合器數字隔離器，ADM232L RS-232收發器和隔離電源的組合，如圖6所示，可消除接地回路并提供有效的浪涌保護保護。

RS-485： RS-485標準規定可驅動多達32對驅動器和接收器。它的多功能性和驅動4000米電纜的能力使其廣泛應用于各種應用，特別是對于非常長距離的互連系統。 小型計算機系統接口（SCSI）和PROFIBUS協議都使用RS-485進行通信。

可用的電纜長度取決于數據速度要求，速度/長度組合范圍從1200米處的200 kbps到100米處的12 Mbps。使用平衡差分信號，RS-485驅動器通過兩條輸出線發送數據。接收器通過比較兩個信號確定邏輯狀態;大于200 mV的差異提供有效的邏輯電平。驅動器和接收器中的差分放大器在信號線之間轉向電流。與單端方案（如RS-232）相比，這提供了高水平的抗噪性。

啟用功能允許驅動器進入高阻態;所以多個驅動程序可以共享一條總線而不會發生爭用。軟件協議定義了總線仲裁程序，使所有驅動程序始終處于非活動狀態，并允許最多32個驅動程序共享線路。圖7顯示了半雙工，2線雙向配置。每個節點包含一個驅動器和接收器，所有驅動器和接收器共用相同的2線雙絞線電纜。雖然這簡化了安裝并降低了成本，但它限制了最大吞吐率。 4線全雙工配置 - 使用一個節點作為主節點，其余節點作為從節點 - 更復雜但提供更高的數據速率。

因為RS-485通常用于連接多個系統，每個系統和總線之間的隔離是至關重要的。與RS-232一樣，數字隔離器不支持RS-485標準，因此不能在收發器和電纜之間使用;相反，它們用在收發器和本地系統之間。收發器的系統側通常連接到本地總線或處理器。由于 i 耦合器隔離器的輸入和輸出電路彼此電隔離，因此在處理器和收發器之間插入一個是將系統與電纜隔離的簡單方法。為完成隔離，隔離式DC-DC轉換器用于為隔離器和收發器供電。圖8所示的ADuM1301 i 耦合器數字隔離器和隔離電源的組合消除了接地回路，并提供有效的抗浪涌保護。

圖9顯示了ADM2486單芯片隔離式RS-485收發器。

CAN總線： CAN總線標準最初是為汽車應用而開發的，它規定了一種2線串行通信協議，允許數據速率高達1 Mbps，最多30個節點和40米最大電纜長度。它以包含 start 和 stop 位，仲裁字段，控制字段，循環冗余校驗（CRC）字段和的幀發送異步數據確認字段。每個節點可以同時監聽和傳輸，因此協議最重要的特性之一是其非破壞性位仲裁，確保不丟失任何數據。每個節點在每個消息的開頭發送主要的消息開始（SOM）位。其他節點將看到此活動，并且在消息完成之前不會嘗試啟動傳輸。接下來，發送11位或29位仲裁字段。也稱為標識符，該字段優先考慮總線上發送的消息。優先級最高的節點始終控制總線，使較低優先級的節點等待。這種非破壞性仲裁可確保始終獲得最高優先級的消息。

如圖10所示，CAN總線使用平衡的2線差分接口，通常工作在3 V或5 V. 使用不歸零（NRZ）編碼，確保具有最小轉換次數和高抗噪性的緊湊消息。 CAN總線收發器使用一對開漏器件產生CANH（V CC - 0.9 V）到CANL（1.5 V）的差分信號。驅動時，發送器產生主導信號，表示邏輯低。當沒有驅動發送器時，上拉電阻將總線設置為V CC / 2，產生隱性信號，表示邏輯高。 待機控制使收發器進入低功耗模式。低功耗接收器在待機模式下保持活動狀態，監視總線狀態變化 - 并在檢測到活動時發信號通知控制器激活本地節點。

與RS-232和RS-485一樣，數字隔離器不支持CAN總線標準，因此不能在收發器和電纜之間使用;相反，它們在收發器和本地CAN控制器之間使用標準的3 V或5 V邏輯電平。由于 i 耦合器隔離器的輸入和輸出電路彼此電隔離，因此將系統與電纜隔離的簡單方法是在處理器和收發器之間插入一個。為完成隔離，隔離式DC-DC轉換器用于為隔離器和收發器供電。如圖11所示， i 耦合器數字隔離器和隔離電源的組合可消除接地回路并提供有效的浪涌損壞保護。

更多關于《 span》 i 耦合器

在集成度，性能，功耗，易用性和可靠性。 i 耦合器設備是獨立的，除了通常的旁路電容器外不需要額外的元件;它們通常速度更快，數據速率更高（達到100 Mbps），傳播延遲更短（18 ns）;它們的功耗（從5 MW @ 1 Mbps到22 mW @ 25 Mbps）是同類光耦合器的1/70到1/5，相鄰組件的加熱可忽略不計;它們可以像標準數字CMOS一樣使用;它們可以在更高的溫度下工作 - 傳播延遲對溫度基本不敏感;它們的使用壽命更長，沒有LED磨損。它們具有與高質量光耦合器類似的安全認證。目前可用的 i 耦合器器件的絕緣額定值為2.5 kV rms（400 V rms穩態），未來改善的可能性將超過50％。

完全披露

由于 Analog Dialogue 不是一本食譜，這些例子基本上說明了如何在網絡通信中使用 i 耦合器技術;它們不是測試應用程序的詳細原理圖。有關更多信息，請參閱產品數據表和任何可用的應用說明（見下文）。與往常一樣，在使用高壓電路時要格外小心。

參考電路

AN-727： i RS-485應用中的耦合器隔離。

AN-740： i 耦合器隔離RS-232應用。

AN-770： i CAN總線應用中的耦合器隔離。

i 耦合器數字隔離 - 無與倫比的性能和集成。

Wayne，Scott，“在大海撈針中尋找針”，模擬對話 34-01，2000年1月至2月。