|
Применение устройств гальванической развязки цифрового сигнала в интерфейсах
Введение
В самых различных устройствах и системах – например, промышленных системах управления, источниках питания, линиях связи между компьютерами – данные в последовательном виде передаются по различным интерфейсам, таким как RS-232, RS-485 или CAN. Каждое из подключаемых устройств обычно имеет свой собственный блок питания, и устройства зачастую находятся на большом расстоянии друг от друга; поэтому обычно в таких случаях требуется гальваническая развязка, функции которой – разрыв общей "земляной" цепи, защита всей системы от высоковольтных переходных процессов, уменьшение помех и искажений сигналов, а также увеличение степени электробезопасности.
Методы изоляции
Трансформаторы, развязывающие конденсаторы, оптопары, и теперь устройства гальваноразвязки цифрового сигнала iCouplers – вот основные средства обеспечения гальванической развязки, позволяющие блокировать протекание тока от одного устройства к другому, и при этом обеспечить передачу информации (рис.1).
Рис. 1. Гальваническая изоляция позволяет передавать информацию, но препятствует протеканию тока
Изоляция применяется для защиты от больших токов или напряжений, вызванных высоковольтными помехами и возникающих при наличии замкнутых цепей заземления. Такие замкнутые петли могут присутствовать в любой системе, где имеется несколько заземлений. Заземления в различных частях системы, связанных длинным кабелем, будут иметь различный потенциал, поэтому ток заземления будет проходить по соединительному кабелю. В отсутствие изоляции этот ток может создать дополнительные шумы, ухудшить качество канала или даже вывести из строя компоненты системы.
Токи, наводимые в длинных кабелях в условиях промышленности, например, при включении и выключении мощных электромоторов, при электростатических разрядах или при разрядах молнии, могут вызвать быстрые изменения потенциала заземления, величиной в сотни или тысячи вольт. При этом на информационный сигнал, передаваемый по каналу, накладывается высоковольтный импульс. При отсутствии изоляции этот высоковольтный импульс может нарушить передачу сигнала или даже вывести систему из строя. Подключение всех устройств, связанных общим интерфейсом, к одному заземлению сможет защитить систему от таких разрушающих воздействий, а изоляция устройств друг от друга позволяет избавиться от замкнутых "петлевых" заземлений.
Чтобы полностью изолировать систему, все линии сигналов и питания должны быть изолированы. Для изоляции линии питания применяются DC/DC преобразователи с гальванической развязкой, а для развязки линий передачи данных можно использовать цифровые изоляторы iCoupler.
Технология iCoupler
Изоляторы iCoupler – это устройства гальванической развязки на основе трансформаторов, выполненных на кристалле кремния; эти трансформаторы играют ту же роль, что и пара светодиод/фотодиод в оптопаре. Планарный трансформатор изготовлен в ходе технологического процесса КМОП на этапе металлизации и имеет ещё один дополнительный слой осажденного золота. Одну "обмотку" трансформатора от другой изолирует слой электрически прочного синтетического полимера (полиимида). Эти две "обмотки" подключены к быстродействующим КМОП-схемам, которые обеспечивают интерфейс между трансформатором и внешними сигналами. Микроэлектронная технология дает возможность с минимумом затрат осуществить интеграцию нескольких каналов цифровой изоляции и других электронных схем в одном корпусе. Устройства iCoupler не имеют таких присущих оптопарам недостатков, как неопределенный коэффициент передачи тока, нелинейная передаточная функция и дрейф (температурный и временной); кроме того, устройство iCoupler позволяет уменьшить энергопотребление на 90% и для его работы не требуется внешних драйверов и дискретных компонентов.
Рис. 2. Устройство и поперечное сечение изолятора iCoupler
Электрическая схема, подключенная к первичной "обмотке" трансформатора, преобразует переходы входного сигнала в импульсы длительностью 1 нс, эти импульсы подаются на трансформатор; схема, подключенная ко вторичной "обмотке", принимает эти импульсы и восстанавливает входной сигнал, как показано на рис.3. Схема обновления сигнала (refresh) на входной стороне обеспечивает корректность выходного сигнала даже если входной сигнал не меняет свое состояние. Это важно в ситуации включения питания, а также при передаче данных с низкой скоростью или при передаче постоянного сигнала.
Рис. 3. Функциональная схема устройства iCoupler
Так как назначение устройства iCoupler заключается в изоляции входа от выхода, входная и выходная схемы располагаются на различных кристаллах. Собственно трансформатор может быть расположен или на одном из этих кристаллов, или на третьем кристалле, как показано на рис.4. Все кристаллы располагаются в стандартном пластиковом корпусе, в таких корпусах выпускаются многие современные микросхемы.
Рис. 4. Конструкция четырехканального изолятора ADuM140x
Особенностью многоканальных устройств iCoupler является наличие в одном корпусе каналов на передачу и на прием. Сами трансформаторы могут передавать сигнал в любую сторону, направление определяется схемами, подключенными к трансформатору. Поэтому многоканальные изоляторы поставляются с различными конфигурациями (с различными сочетаниями направлений передачи).
Последовательные интерфейсы
Стандарты RS–232 (EIA232) и RS–485 (EIA/TIA485) определяют только физический уровень линии, предоставляя определение протокола на усмотрение разработчика или других стандартов. Однако стандарт CAN определяет как физический уровень, так и протокол передачи данных.
RS–232
RS–232 – это один из наиболее популярных последовательных интерфейсов, впервые описаный в 1962 году и предназначавшийся для обмена данными между компьютером и модемом. Этот стандарт и сейчас широко применяется для межсистемной коммуникации; простота, гибкость и длинная история успешного применения данного интерфейса являются залогом его популярности.
Стандарт разработан для соединения двух устройств и обеспечивает полнодуплексную связь посредством двух несбалансированных линий, по которым передается сигнал относительно "земли". Скорость передачи данных ограничена уровнем 20 kbps, или 64 kbps при низковольтном варианте интерфейса. Максимальная длина соединительного кабеля на практике не превышает 16 метров – ограничение определяется величиной максимальной емкости нагрузки 2500 пФ и импедансом нагрузки 3…7 кОм.
Стандарт RS–232 определяет уровни сигналов драйвера передатчика –5…–15 В для логической единицы и +5…+15 В для логического ноля, и уровни для приемника: –3…–15 В – логическая единица, +3…+15 – логический ноль. Напряжение между –3 В и +3 В соответствует неопределенному уровню. Большой размах напряжений и широкий диапазон неопределенных сигналов обуславливает высокую степень устойчивости к помехам и позволяет передавать достоверный сигнал через длинный кабель.
Спецификация RS–232 определяет разводку выводов 25-контактного D-образного разъёма, в котором предусмотрено 20 сигнальных линий, но 9-контактный D-образный разъём, имеющий 8 сигнальных линий (рис.5), гораздо более популярен. По одной линии в каждом направлении используется для передачи данных; остальные линии предназначены для поддержки протокола передачи. В простейшем варианте необходимо всего три линии: Tx – линия передаваемых данных, Rx – линия принимаемых данных, и "земля" (GND). В 25-выводном разъеме предусмотрена ещё и линия "защитной земли". Эта линия обычно подключена к "земле" источника питания или к шасси устройства, не должна соединяться с сигнальной "землей" или
подключаться к другому устройству.
Рис. 5. Восьмисигнальная конфигурация сети RS-232
Стандарт RS–232 предполагает деление оборудования на две категории: DCE (data communications equipment, оборудование, обменивающееся данными) и DTE (data terminal equipment, оконечное оборудование). Эти определения – наследство тех времен, когда стандарт предназначался для соединения компьютера и модема; в наше время эти термины просто определяют то, какие линии задействованы в качестве входов и выходов.
RS–232 обычно применяется для подключения нескольких устройств, поэтому проблема изоляции устройств и линии для этого интерфейса критична. Цифровые изоляторы iCoupler не могут работать в режиме RS-232, поэтому они не могут быть просто подключены между приемопередатчиком и кабелем; но вместо этого их можно включить между приемопередатчиком RS–232 и самим устройством. Со стороны устройства приемопередатчик RS–232 обычно подключается к универсальному асинхронному приемопередатчику (UART) или к процессору, где действуют 3-вольтовые или 5-вольтовые логические уровни. Так как входные и выходные схемы прибора iCoupler электрически изолированы друг от друга, такой изолятор может быть помещен между интерфейсом UART и приемопередатчиком RS-232 в качестве простого решения проблемы гальванической развязки. Для завершения схемы развязки необходим ещё DC/DC преобразователь, питающий дистальную часть
изолятора iCoupler и приемопередатчик RS-232.
Применив iCoupler типа ADuM1402, приемопередатчик ADM232L и гальванически развязанный источник питания, мы получим простое и недорогое решение проблемы гальванической развязки интерфейса RS-232 (см. рис.6).
Рис. 6. Пятисигнальная конфигурация сети RS-232 (показана часть DTE)
RS-485
Этот стандарт предполагает подключение до 32 пар передатчиков/приемников. Его гибкость и возможность работы с кабелем длиной до 4000 метров сделали этот стандарт популярным в самых различных областях, особенно там, где необходимо обеспечить связь на большое расстояние. Интерфейсы SCSI и PROFIBUS также используют стандарт RS-485 для связи. Достижимая длина линии зависит от требований к скорости передачи данных, возможны сочетания скорость передачи/длина от 200 килобит в секунду при длине 1200 метров до 12 мегабит в секунду при длине кабеля 100 метров. В линии RS-485 передается дифференциальный сигнал по симметричной двухпроводной линии. Приемник линии опрелеляет логический уровень, сравнивая эти два сигнала между собой; разница в 200 мВ воспринимается как достоверный логический уровень. Дифференциальный драйвер передатчика обеспечивает ток по двум линиям. Это обеспечивает высокую устойчивость линии к помехам по сравнению с однополярной схемой передачи, которая используется в интерфейсе RS-232.
Функция разрешения (enable) драйвера линии RS-485 позволяет переводить драйвер в высокоимпедансное состояние, таким образом обеспечивается работа нескольких устройств на одной линии и снимается проблема конфликта на линии. Программный протокол описывает процедуру арбитража шины, при этом одновременно работает только один драйвер линии, остальные находятся в неактивном состоянии; это позволяет подключить к линии до 32 драйверов. Полудуплексная двухпроводная конфигурация интерфейса RS-485 показана на рис.7. Каждый узел на линии содержит приемник и драйвер, все драйверы и приемники используют одну и ту же дифференциальную сигнальную пару линий. Хотя такое решение позволяет упростить
систему и снизить её стоимость, тот факт, что все драйверы работают с одной линией, снижает пропускную способность канала.
Рис. 7. Двухпроводная полудуплексная сеть RS-485
Четырехпроводная полнодуплексная конфигурация, в которой один из узлов является ведущим (master), а все остальные – ведомыми (slave), несколько сложнее, но она позволяет значительно повысить скорость обмена данными.
Так как интерфейс RS-485 обычно применяется для связи нескольких устройств, требуется изоляция между шиной и каждым подключенным к ней устройством. Как и в случае интерфейса RS-232, цифровые изоляторы сами по себе не могут обеспечить требования стандарта RS-485, поэтому невозможно просто включить цифровой изолятор в разрыв линии RS-485 между передатчиком и кабелем; вместо этого гальваническая развязка может быть осуществлена между приемопередатчиком RS-485 и локальным устройством. Со стороны системы приемопередатчик обычно подключается к локальной шине или к процессору. Помещение изолятора iCoupler между процессором и приемопередатчиком является простым способом обеспечить гальваническую развязку системы от кабеля. Для завершения схемы развязки необходим DC/DC преобразователь, питающий дистальную часть изолятора iCoupler и приемопередатчик RS-485. Схема с изолятором iCoupler ADuM1301 и источником питания с гальванической развязкой показана на рис.8; такая схема позволяет устранить замыкание петли заземления и обеспечить защиту от помех.
Рис. 8. Схема изоляции в сети RS-485
На рис.9 показано устройство изолятора ADM2486.
Рис. 9. Функциональная схема изолятора ADM2486
Интерфейс CAN
CAN – это стандарт, изначально разработанный для автомобильных систем, он описывает двухпроводную связь и последовательный протокол; стандарт предусматривает скорость передачи до 1 Mbps, наличие до 30 узлов на линии и длину кабеля до 40 метров. Передача данных осуществляется асинхронно, с помощью фреймов, содержащих стартовый и стоповый биты, поле арбитража, контрольное поле, поле циклической проверки CRC и поле подтверждения. Каждый узел может принимать и передавать одновременно, и одним из основных достоинств протокола является арбитраж, не разрушающий данные, что позволяет избежать потери данных. Каждый узел передает доминантный бит начала передачи (SOM) в начале каждого сообщения. Остальные узлы воспринимают этот сигнал и не пытаются начать передачу, пока передача сообщения не завершится. Затем передается 11- или 29-разрядное поле арбитража. Помимо того, что это поле играет роль идентификатора, оно задает приоритет переданному сообщению. Узлы с наивысшим приоритетом в любой момент могут захватить управление шиной, при этом остальные узлы будут вынуждены дожидаться освобождения шины. Такой арбитраж гарантирует, что сообщения с наивысшим приоритетом будут переданы сразу.
В шине CAN (рис.10) используется симметричная двухпроводная дифференциальная линия, рабочее напряжение обычно составляет 3 или 5 В.
Рис. 10. Шина CAN
Применяется кодирование NRZ, что обеспечивает компактность сообщений, минимальное число переходов и высокую помехоустойчивость. Приемопередатчик сигнала CAN имеет пару выходных транзисторов с открытым стоком и формирует дифференциальные сигналы CANH (VCC – 0.9 В) и CANL (1.5 В). В активном состоянии передатчик формирует доминантный сигнал, представляющий логический низкий уровень. Если ни один передатчик не активен, "подтягивающие" резисторы задают на линии напряжение VCC/2, обеспечивая высокий логический уровень. Схема управления переводит приемопередатчик в малопотребляющий режим standby.
Малопотребляющая приемная часть остается активной и в режиме standby, отслеживая состояние шины и передавая сигнал на контроллер локального узла, когда обнаруживается активность.
Как и в случае шины RS-232 или RS-485, цифровые изоляторы не могут обеспечить развязку самой шины CAN, поэтому их невозможно использовать между приемопередатчиком и кабелем; вместо этого iCoupler можно включить между приемопередатчиком и локальным CAN-контроллером, работающим со стандартными 3- или 5-вольтовыми логическими уровнями.
Входные схемы изолятора iCoupler изолированы от выходных, поэтому простым решением будет подключить iCoupler между процессором и приемопередатчиком. Как и в предыдущих случаях, понадобится изолированный DC/DC преобразователь для питания изолированной части iCoupler'а и приемопередатчика. Такая схема показана на рис.11; она позволяет разомкнуть замкнутые "петли" заземления и обеспечивает защиту от высоковольтных помех и переходных процессов.
Рис. 11. Схема изоляции для шины CAN
Ещё о цифровых изоляторах iCoupler
Цифровые изоляторы, созданные по технологии iCoupler, имеют преимущества по сравнению с оптопарами с точки зрения интеграции, пропускной способности, энергопотребления, простоты применения и надёжности. Изоляторы iCoupler являются завершенными блоками, они не требуют дополнительных внешних компонентов (за исключением обычного конденсатора развязки по питанию), они более быстродействующие, скорость передачи данных составляет до 100 Mbps, они имеют меньшее время задержки (18 нс); их энергопотребление (от 5 мВт при скорости передачи 1 Mbps до 22 мВт при скорости передачи 25 Mbps) составляет от 1/70 до 1/5 по сравнению с соответствующими оптопарами (вместе с компонентами "обвязки"). Изоляторы iCoupler включаются точно так же, как стандартные цифровые микросхемы КМОП; они могут работать в широком температурном диапазоне, причем время распространения сигнала практически не зависит от иемпературы; они имеют большое время наработки на отказ и в них отсутствует явление снижения эмиссии светодиода, присущее оптопарам. Они обладают теми же характеристиками по безопасности, что и оптопары. Поставляемые в настоящее время iCoupler'ы гарантированно выдерживают напряжение 2.5 кВ (среднеквадратическое значение) в течение одной минуты или 400 В (среднеквадратическое значение) постоянно, планируется в два раза увеличить эти параметры в будущих изоляторах iCoupler.
Заключение
Так как журнал Analog Dialogue (в котором была опубликована данная статья) не является официальной технической документацией, примеры применения, приведенные здесь, являются только лишь иллюстрацией возможностей изоляторов iCoupler; эти примеры не являются детализированными и хорошо оттестированными. Поэтому при разработке Вашей схемы для получения подробной и официальной информации обращайтесь, пожалуйста, к техническому описанию (datasheet) на соответствующую ИС. И конечно, будьте внимательны и соблюдайте технику безопасности при работе с высоковольтными устройствами.
Рекомендуемые ссылки
- AN-727: iCoupler Isolation in RS-485 Applications.
- AN-740: iCoupler Isolation in RS-232 Applications.
- AN-770: iCoupler Isolation in CAN Bus Applications.
- FAQ About Isolation, iCoupler Technology, and the ADuM1100 Digital Isolator.
- Scott Wayne “Finding the Needle in a Haystack.” Analog Dialogue 34-01. January-February 2000.
http://www.analog.spb.ru/Public/diff_amp.pdf
- ADI website: www.analog.com (Search) ADuM1400 (GO)
- http://www.analog.com/Analog_Root/static/pdf/dataConverters/SelectionGuides/digitalIsolators.pdf
- ADI website: www.analog.com (Search) ADuM1402 (GO)
- ADI website: www.analog.com (Search) ADM232L (GO)
- ADI website: www.analog.com (Search) ADuM1301 (GO)
- ADI website: www.analog.com (Search) ADM2486 (GO)
Scott Wayne
Перевод:Алексей Власенко,
Представительство Analog Devices в России, СНГ и Балтии
|
