在工业过程控制、电源调节和计算机之间的点对点通信等应用中，串行通信总线通过各种类型的物理网络(如RS-232、RS-485和控制器局域网(CAN))传输数据。每个相互连接的系统通常都有自己的电源，而且这些系统通常相距很远，因此通常需要电隔离来断开接地回路，保护系统免受高压瞬变的影响，并减少信号失真，以及物理安全。

隔离

变压器，耦合电容器，光耦合器，现在，我耦合器-是提供电流隔离的典型手段，它阻止电流在两点之间流动，同时允许数据畅通无阻地通过(图1)。隔离用于防止由线路浪涌或接地回路引起的高压或电流，这可能发生在任何具有多条接地路径的系统中。被长电缆隔开的系统接地电位不相同，因此接地电流将在两个系统之间流动。如果没有隔离，这种电流可能会引入噪声，降低测量精度，甚至破坏系统组件。

在工业环境中，由于电机开关、静电放电(ESD)或附近的雷击而感应耦合到长电缆中的电流会导致地电位的快速变化，通常高达数百伏或数千伏。当这种情况发生时，远程系统所期望的逻辑电平开关信号将被叠加在相对于其本地地的高电压上。如果没有隔离，这个电压可能会破坏信号或损坏系统。将所有连接到总线上的设备连接到一个地将保护系统免受这种破坏性能量的影响，并且隔离设备将防止接地回路和电涌。

为了使系统完全隔离，所有的信号线和电源都必须隔离。隔离的dc- dc转换器可以提供电源隔离，而我耦合器数字隔离器提供信号隔离。

我耦合器技术

我与光耦合器中使用的led和光电二极管相比，耦合器隔离器是基于芯片级变压器的磁耦合器(图2)。平面变压器使用CMOS金属层，加上放置在钝化层顶部的金层。金层下面的高击穿聚酰亚胺层使顶部变压器线圈与底部绝缘。连接到顶部和底部线圈的高速CMOS电路提供每个变压器与其外部信号之间的接口。晶圆级处理提供了一种低成本的方法，可以在单个封装中集成多个隔离通道以及其他半导体功能。我耦合器技术消除了与光耦合器相关的不确定电流传递比、非线性传递函数和漂移(随时间和温度);降低功耗高达90%;并且消除了对外部驱动器或分立设备的需求。

变压器初级侧的电路将输入逻辑转换编码为1ns脉冲，然后通过变压器耦合;二次侧的电路检测它们并重建输入信号，如图3所示。输入端的刷新电路确保即使不存在输入转换，输出状态也与输入状态匹配。这在上电情况和低数据速率或恒定直流输入的输入波形中很重要。

因为我耦合器产品是为了隔离输入和输出，变压器一侧的电路必须包含在一个单独的芯片上，与变压器另一侧的电路分开。变压器本身可以放置在任一芯片上，也可以放置在第三个芯片上，如图4所示的ADuM140x。整个芯片组组装在一个标准的塑料包装类似于用于各种半导体器件。

的新特点我耦合器设备是它们在同一封装中组合发送和接收信道的能力。的我耦合器变压器本质上是双向的，所以只要在变压器的每一边都有适当的电路，信号就可以在任何一个方向上传递。以这种方式，多通道隔离器提供各种发送/接收通道配置。

串行通信总线

RS-232 (EIA232)和RS-485 (EIA/TIA485)规范仅定义物理层，允许用户定义信号协议，或由其他标准指定其在物理层中的使用。另一方面，CAN总线定义了物理层和数据链路层。

rs - 232:RS-232总线标准是最流行的串行通信总线之一，最初于1962年指定用于计算机和调制解调器之间的通信。作为系统间通信链路，它仍然被广泛使用，它的简单性、灵活性和长期成功使用的历史说明了它的持续流行。设计用于点对点通信，它提供全双工通信使用两个专用的，不平衡的单端线路与地面参考信号。

数据速率限制在20kbps，或者在低压变化中限制在64kbps。最大实际电缆长度被限制在约16米由2500-pF最大负载电容和3-kohm至7-kohm负载阻抗。RS-232指定逻辑1的驱动器输出电平为- 5v至- 15v，逻辑0的驱动器输出电平为+ 5v至+ 15v，逻辑1的接收器输入电平为- 3v至- 15v，逻辑0的接收器输入电平为+ 3v至+ 15v。-3 V和+ 3v之间的电压没有定义。宽电压摆幅和未定义区域确保了高水平的抗噪性，并允许在长电缆上接收有效的信号电平。

RS-232规范定义了带有20条信号线的25针D连接器的引脚，但如图5所示，带有8条信号线的9针连接器更为常见。在每个方向上使用一条线进行数据传输;其余的线路是为通信协议指定的。最简单的是，RS-232可以用三条线实现:Tx(传输数据)，Rx(接收数据)和GND(接地)。保护接地，用于设备安全，在25针连接器中定义。这条线通常连接到电源地或机箱地，不应该连接到信号地或系统到系统。

RS-232标准将设备分为两类:DCE(数据通信设备)和DTE(数据终端设备)。这些名称是他们的计算机和现代遗产的遗产;这些术语现在简单地定义了哪些线连接为输入，哪些连接为输出。

RS-232通常用于连接多个系统，因此每个系统和总线之间的隔离至关重要。数字隔离器不支持RS-232标准，因此不能在收发器和电缆之间使用;相反，它们在收发器和本地系统之间使用。收发器的系统端通常连接到通用异步接收器/发射器(UART)或处理器，使用0 V至3 V或0 V至5 V逻辑电平。因为输入和输出电路的我耦合器隔离器彼此是电隔离的，一个可以放在UART和收发器之间，作为将系统与电缆隔离的简单方法。为了完成隔离，使用隔离dc- dc转换器为隔离器和收发器供电。ADuM1402的组合我如图6所示，耦合器数字隔离器、ADM232L RS-232收发器和隔离电源消除了接地回路，并提供了有效的保护，防止浪涌损坏。

rs - 485:RS-485标准指定驱动多达32对驱动器和接收器。它的多功能性和驱动4000米电缆的能力使其在广泛的应用中广受欢迎，特别是在非常长距离的互连系统中。小型计算机系统接口(SCSI)和PROFIBUS协议都使用RS-485进行通信。

可用的电缆长度取决于数据速度要求，速度/长度组合范围从1200米时的200 kbps到100米时的12 Mbps。使用平衡差分信号，RS-485驱动程序通过两条输出线发送数据。接收机通过比较两个信号来确定逻辑状态;大于200mv的差值提供有效的逻辑电平。驱动器和接收器中的差分放大器引导信号线之间的电流。与RS-232等单端方案相比，这提供了高水平的抗噪性。

使能功能允许驱动器进入高阻抗状态;因此，多个驱动程序可以共享单个总线而不会产生争用。软件协议定义了总线仲裁程序，使除一个驱动器外的所有驱动器始终处于非活动状态，并允许多达32个驱动器共享线路。半双工、2线双向配置如图7所示。每个节点包含驱动器和接收器，所有驱动器和接收器共享同一根2线双绞线电缆。虽然这简化了安装并降低了成本，但它限制了最大吞吐率。4线全双工配置(使用一个节点作为主节点，其余节点作为从节点)更复杂，但提供更高的数据速率。

由于RS-485通常用于连接多个系统，因此每个系统和总线之间的隔离至关重要。与RS-232一样，数字隔离器不支持RS-485标准，因此它们不能在收发器和电缆之间使用;相反，它们在收发器和本地系统之间使用。收发器的系统端通常连接到本地总线或处理器。由于输入和输出电路的我耦合器隔离器彼此是电隔离的，在处理器和收发器之间插入一个是将系统与电缆隔离的简单方法。为了完成隔离，使用隔离dc- dc转换器为隔离器和收发器供电。ADuM1301组合我图8所示的耦合器数字隔离器和隔离电源消除了接地回路，并提供有效的保护，防止浪涌损坏。

图9显示了ADM2486单片隔离RS-485收发器。

CAN总线:CAN总线标准最初是为汽车应用开发的，规定了一种2线串行通信协议，允许数据速率高达1mbps，最多可容纳30个节点，最大电缆长度为40米。它以帧的形式传输异步数据，帧由起始和停止位、仲裁字段、控制字段、循环冗余校验(CRC)字段和确认字段组成。每个节点可以同时监听和传输，因此该协议的一个最重要的特点是它的非破坏性比特仲裁，这确保了没有数据丢失。每个节点在每条消息的开头发送一个主导消息起始位(SOM)。其他节点将看到此活动，并且在消息完成之前不会尝试开始传输。接下来，发送11位或29位仲裁字段。也称为标识符，该字段对总线上发送的消息进行优先级排序。优先级最高的节点总是控制总线，让优先级较低的节点等待。这种非破坏性的仲裁确保了最高优先级的消息总是能够通过。

CAN总线如图10所示，使用平衡的2线差分接口，通常工作在3v或5v。使用非归零(NRZ)编码，确保具有最小数量的转换和高抗噪性的紧凑消息。CAN总线收发器使用一对开漏器件来创建CANH (V(CC) - 0.9 V)到CANL (1.5 V)的差分信号。当驱动时，发射器产生主导信号，代表逻辑低电平。当没有发射机驱动时，上拉电阻将总线设置为V(CC)/2，产生隐性信号，表示逻辑高电平。备用控制将收发器置于低功耗模式。低功耗接收器在待机模式期间保持活动状态，监视总线的状态变化，并在检测到活动时向控制器发送信号以激活本地节点。

与RS-232和RS-485一样，数字隔离器不支持CAN总线标准，因此它们不能在收发器和电缆之间使用;相反，它们使用标准的3-V或5-V逻辑电平在收发器和本地CAN控制器之间使用。因为输入和输出电路的我耦合器隔离器彼此是电隔离的，将系统与电缆隔离的一种简单方法是在处理器和收发器之间插入一个。为了完成隔离，使用隔离dc- dc转换器为隔离器和收发器供电。的结合我如图11所示，耦合器数字隔离器和隔离电源消除了接地回路，并提供了有效的保护，防止浪涌损坏。

更多关于我耦合器

数字隔离器基于我在集成度、性能、功耗、易用性和可靠性方面，耦合器技术可以与光耦合器进行比较。我耦合器设备是独立的，除了通常的旁路电容器外，不需要额外的组件;它们通常更快，具有更高的数据速率(到100 Mbps)和更短的传播延迟(18 ns);它们的功耗(从5兆瓦@ 1 Mbps到22兆瓦@ 25 Mbps)是同类光耦合器的1/70到1/5，相邻组件的加热可以忽略不计;它们可以像标准数字CMOS一样使用;它们可以在更高的温度下工作——传播延迟基本上对温度不敏感;而且它们的寿命更长，LED不会损耗。它们具有与高质量光耦合器相似的安全认证。目前可用的我耦合器设备的绝缘额定电压为2.5 kV rms(稳态400 V rms)，未来的改进幅度有望超过50%。

充分披露

因为《对话》不是一本烹饪书，这些例子基本上说明了如何我耦合器技术可用于网络通信;它们不是测试应用程序的详细原理图。请查阅产品数据表和任何可用的应用说明(见下文)以获取更多信息。与往常一样，在使用高压电路时要格外小心。