在工業聯網控制、電源調整和計算機之間的點對點通信應用中，串行通信總線上發送各種類型的物理網絡的數據，如RS232、RS485和控制器區域網絡。每個互連的系統通常都有自己的電源，并且系統之間通常相距很遠，因此通常需要進行電流隔離，以斷開接地回路，保護系統免受高壓瞬變的影響，并減少信號失真。
變壓器、耦合電容器、光耦合器(現在稱為i耦合器)是提供電流隔離的典型方法，可以阻止電流在兩點之間流動，同時允許數據不受阻礙地通過(圖1)。隔離用于防止線路浪涌或接地回路引起的高電壓或電流，這種情況可能在具有多個接地路徑的任何系統中發生。用長電纜隔開的系統接地將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，該電流可能會引入噪聲，降低測量質量甚至破壞系統組件。
圖1.電流隔離允許信息流動，但阻止電流流動
通過電機的開，關，靜電放電(ESD)或附近的雷擊感應耦合到工業環境中的長電纜中的電流會導致接地電位快速變化，通常高達幾百或幾千伏。發生這種情況時，遠程系統期望的邏輯電平切換信號將相對于其本地接地疊加在高電壓上。如果沒有隔離，該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接地都可以保護系統免受這種破壞性能量的影響，并且隔離這些設備可以防止接地環路和電涌。
為了完全隔離系統，必須隔離所有信號線和電源。隔離的DC-DC轉換器可提供電源隔離，而i Coupler數字隔離器可提供信號隔離。
ED和光電耦合器中使用的光電二極管相比，耦合器隔離器是基于芯片級變壓器磁耦合器(圖2)。平面變壓器使用CMOS金屬層以及在鈍化層上方放置的金層。金層下面的高擊穿聚酰亞胺層將頂部變壓器線圈與底部隔離。連接到頂部和底部線圈的高速CMOS電路提供了每個變壓器及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。一世耦合器技術消除了與光耦合器相關的不確定的電流傳輸比，非線性傳遞函數以及漂移(隨時間和溫度變化);減少多達90%的功耗;無需外部驅動器或分立設備。
圖2. 耦合器橫截面
變壓器原邊的電路將輸入邏輯轉換編碼為1 ns的脈沖，然后通過變壓器耦合。如圖3所示，次級側的電路檢測到它們并重新創建輸入信號，即使沒有輸入跳變，輸入側的刷新電路也可確保輸出狀態與輸入狀態匹配。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很重要。
圖3.在 Coupler的輸出上重新創建數字輸入
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與變壓器第二側的電路包含在單獨的芯片中。變壓器本身可以放在任何一個芯片上，也可以放在第三個芯片上，如圖4所示的ADuM140x。整個芯片組組裝在標準塑料封裝中，類似于用于各種半導體器件的封裝。
圖4. ADuM140x 4通道隔離器結構。
i Coupler設備的一項新穎功能是它們能夠在同一封裝中組合發送和接收通道。在我耦合變壓器本身是雙向的，所以信號可以在任一方向，只要通過如適當的電路存在于變壓器的每一側。以這種方式，為多通道隔離器提供了多種發送/接收通道配置。
RS-232(EIA232)和RS-485(EIA / TIA485)規范僅定義了物理層，從而允許用戶或指定在物理層中使用它們的其他標準定義信號協議。另一方面，CAN總線定義了物理層和數據鏈路層。
RS-232： RS-232總線標準是最流行的串行通信總線之一，最初于1962年被指定用于計算機和調制解調器之間的通信。它的簡單性，靈活性和成功使用的悠久歷史仍被廣泛用作系統間通信鏈接，這是其持續流行的原因。它專為點對點通信而設計，它使用兩條專用的不平衡單端線路以及以地面為參考的信號來提供全雙工通信。
數據速率限制為20 kbps，或者在低壓變化中限制為64 kbps。2500-pF最大負載電容和3kohm至7kohm的負載阻抗將最大實用電纜長度限制為約16米。RS-232指定邏輯1的驅動器輸出電平為–5 V至–15 V，邏輯0的驅動器輸出電平為+5 V至+15 V，邏輯1的接收器輸入電平為–3 V至–15 V，而邏輯3則為+3V。邏輯0為+15V。–3 V至+3 V之間的電壓不確定。寬的電壓擺幅和不確定的區域確保了較高的抗噪能力，并允許通過較長的電纜接收有效的信號電平。
RS-232規范定義了具有20條信號線的25針D型連接器的引腳排列，但更常見的是具有8條信號線的9針連接器，如圖5所示。每個方向使用一條線進行數據傳輸;其余線路指定用于通信協議。最簡單的說，RS-232只需三條線即可實現：Tx(發送數據)，Rx(接收數據)和GND(地)。25針連接器中定義了用于設備安全的保護性接地。此線通常連接到電源接地或機箱接地，不應連接到信號接地或系統之間。
圖5. 8信號RS-232網絡配置
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)。這些名稱是其計算機和調制解調器傳統的遺產。現在，這些術語僅定義了哪些線作為輸入連接，哪些線作為輸出連接。
RS-232通常用于連接多個系統，因此每個系統與總線之間的隔離至關重要。數字隔離器不支持RS232標準，因此不能在收發器和電纜之間使用;而是在收發器和本地系統之間使用它們。收發器的系統端通常使用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。因為i的輸入和輸出電路耦合器隔離器彼此電氣隔離，可以將其放置在UART和收發器之間，這是將系統與電纜隔離的一種簡單方法。為了完成隔離，使用隔離的DC-DC轉換器為隔離器和收發器供電。所述的組合ADuM1402 我耦合器數字隔離器，ADM232L RS-232收發器，和隔離電源，如圖6所示，避免了接地環路，并提供防止浪涌破壞的有效保護。
圖6. 5信號隔離的RS-232電路(圖示為DTE側)
RS-485： RS-485標準被指定為驅動多達32對驅動器和接收器。它的多功能性和驅動4000米電纜的能力使其在廣泛的應用中廣受歡迎，尤其是在很長距離的互連系統中。在小型計算機系統接口(SCSI)和PROFIBUS協議都采用RS-485通信。
可用的電纜長度取決于數據速度要求，速度/長度組合的范圍從1200米的200 kbps到100米的12 Mbps。使用平衡的差分信號，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來確定邏輯狀態。大于200 mV的壓差可提供有效的邏輯電平。驅動器和接收器中的差分放大器控制信號線之間的電流。與諸如RS-232的單端方案相比，它具有較高的抗噪能力。
一個使功能允許司機被置于高阻抗狀態; 因此，多個驅動程序可以共享一條總線而無爭用。該軟件協議定義了總線仲裁程序，始終使除一個驅動程序之外的所有驅動程序保持不活動狀態，并允許多達32個驅動程序共享線路。半雙工2線雙向配置如圖7所示。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享同一根2線雙絞線電纜。盡管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(將一個節點用作主節點，其余節點用作從節點)更復雜，但可提供更高的數據速率。
圖7. 2線，多點，半雙工RS-485網絡
由于RS-485通常用于連接多個系統，因此每個系統與總線之間的隔離至關重要。與RS-232一樣，數字隔離器也不支持RS-485標準，因此不能在收發器和電纜之間使用。而是在收發器和本地系統之間使用它們。收發器的系統端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氣隔離，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。為了完成隔離，使用隔離的DC-DC轉換器為隔離器和收發器供電。ADuM1301 i的組合圖8所示的耦合器數字隔離器和隔離式電源消除了接地環路，并提供了有效的保護，以防電涌損壞。
圖8.隔離的RS-485電路
圖9. ADM2486隔離式RS-485收發器
CAN總線： CAN總線標準最初是為汽車應用開發的，它指定了2線串行通信協議，該協議允許的數據速率高達1 Mbps，最多30個節點，最大電纜長度為40米。它以幀的形式傳輸異步數據，這些幀包括開始和停止位，仲裁字段，控制字段，循環冗余校驗(CRC)字段和確認字段。每個節點可以同時偵聽和傳輸，因此該協議最重要的功能之一是其無損位仲裁，可確保沒有數據丟失。每個節點傳輸一個主要的消息開始(SOM)位在每個消息的開頭。其他節點將看到此活動，并且在消息完成之前不會嘗試開始傳輸。接下來，發送11位或29位仲裁字段。也稱為標識符，此字段對在總線上發送的消息進行優先級排序。最高優先級的節點始終控制總線，而較低優先級的節點等待。這種無損仲裁可確保始終通過最高優先級的消息。
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5V。采用非歸零(NRZ)編碼，以最小的數量確保緊湊的消息。過渡和高抗噪性。CAN總線收發器使用一對漏極開路設備來創建CANH(V CC – 0.9 V)到CANL(1.5 V)的差分信號。當被驅動時，發射器產生占優勢的信號，該信號代表邏輯低電平。當沒有發送器被驅動時，上拉電阻將總線設置為V CC / 2，產生隱性信號，該信號表示邏輯高電平。一個備用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。
圖10. CAN總線網絡
與RS-232和RS-485一樣，數字隔離器也不支持CAN總線標準，因此不能在收發器和電纜之間使用。而是使用標準的3V或5V邏輯電平在收發器和本地CAN控制器之間使用它們。因為i耦合器隔離器的輸入和輸出電路彼此電氣隔離，所以將系統與電纜隔離的一種簡單方法是在處理器和收發器之間插入一個隔離器。為了完成隔離，使用隔離的DC-DC轉換器為隔離器和收發器供電。i耦合器數字隔離器和隔離電源的組合(如圖11所示)消除了接地環路，并提供了有效的保護，防止電涌損壞。
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