如何用数字隔离器更换光耦合器标准接口电路

介绍

串行通信接口通常用于在工业或汽车系统中的两个设备之间传输和接收数据。在短距离、板内通信中使用的常见接口类型是UART、SPI和I2C。隔离这些类型的数字接口在历史上一直是使用光耦合器实现，也被称为光隔离器，尽管它们的隔离性能较弱，时间规格较差，温度范围有限。由于光耦合器的成本较低，因此在隔离数字接口时仍然是一个流行的选择。然而，数字隔离器现在可以提供一个具有成本竞争力、易于实现和具有更高性能的解决方案，所有这些解决方案的形式都很小。

阿尔特

通用异步接收器和发射器（UART）是一个非常简单的双线串行接口，允许两个设备之间的低速通信。两个推拉单向线路是接收（RX）和传输（TX）。该接口没有时钟即可工作，因此接收机通过采样正电压脉冲的周期来自动确定比特率。自动比特率检测限制了使用UART实现的最大比特率，使得超过100 kbps的数据率极其罕见。UART只需要隔离两个通道，低速使一个直接和低成本的解决方案最理想。

一个UART接口通常被配置为一个标准的二极管输入和开放的集电器输出光耦合器。光耦需要额外的电路，这增加了板空间，有助于额外的功耗。在光耦合器的输入侧，有一个串联电阻器，日，需要连接到阳极，以限制流过二极管的电流。 由于老化，光耦合器的电流转移比（CTR）下降。为了在系统的整个生命周期中保持相同的性能水平，设计师必须通过选择高性能来过度设计日，它会燃烧额外的电流。

开路集电极输出需要一个上拉电阻器，rl，以创建逻辑高状态。的价值rl被选择为最小化功耗，同时也保持所需的定时规格。选择一个高rl该值对于确保光耦合器的输出具有最大的电压摆动，以满足适当的逻辑高状态和保持稳健的信号完整性非常重要。相反地，增加这个值会降低光耦合器响应由于光晶体管的高电阻负载和高结电容而引起的快速电压变化的速度。这最终限制了设计者可以为UART实现的总体速度。

ISO6721数字隔离器消耗的电流比光耦合器溶液少5到10倍。两个电路的总电流消耗差如表1所示。此外，ISO6721提供了非常严格的信道到信道定时规范和由于其缺乏额外的无源组件，更小的解决方案尺寸。光耦合器电路足迹大约是单个数字隔离器（6 mm x 4.9 mm）的两倍（7 mm×7.4mm7.4mm）。ISO6721数字隔离器电路的易用性使其成为一个广泛使用和简单的数字接口的更好的解决方案。

表1。竞争对手A的当前消费与等6721

串行外设接口（SPI）是一个CMOS逻辑串行接口，需要四条单向数据线。SPI的好处是它的更高的速度，比特率通常超过1 Mbps，在某些情况下，达到高达30 Mbps。SPI能够满足高速的需求，因为它的推拉输出实现允许快速切换，单独的传输和接收线，实现全双工通信，以及一个共享接口时钟，自动同步双方之间的位边 界。SPI是一个“主-次”接口，这意味着当允许发生通信时，总线控制上只有一个设备。

需要四个通道来隔离SPI接口。四个典型的SPI接口线分别是SCLK、CS、MOSI和MISO。有两种类型的高速光耦合器可以与SPI一起使用：开放集电器输出和图腾柱输出。这些类型的光耦器最多只能集成两个通道，这意味着两到四个光耦器必须一起使用来隔离所有四个SPI通道。

使用高速开放集电极输出，如图2所示，还需要一个串联电阻，日，并且，在这种情况下，电阻器和光耦合器的输入并联电容的组合产生了一个低通滤波器。低通滤波器限制了最大比特率和总体SPI吞吐量。为了减轻这种影响，一个电容器，卡峰，被放置在电阻器上，日，以锐化比特流的边缘。具有开放集电器输出的光耦合器将需要一个上拉电阻，rl，以创建逻辑高状态。的价值rl提出了一个挑战，因为高电阻值限制了可实现的比特率，但降低了电路阶段消耗的功率。

除了具有开放集电器输出的高速光耦合器，还提供了推拉输出。对于高速图腾柱输出光耦合器，输入的配置方式与开放集电器相同，但输出是一个推-不需要使用拉力配置和上拉电阻器。这种拓扑在光耦内部完成输出反转。

图1。光耦合器电路与ISO6741数字隔离器电路的SPI足迹

鉴于SPI接口旨在实现快速数据传输，因此隔离系统支持20 Mbps或10 MHz频率以满足行业速度要求是至关重要的。一种常见的误解是，SPI接口的数据速度受到隔离器速度的限制，而实际上是传播延迟限制了隔离器的速度。时钟到数据路径的往返延迟将设置接口的最大速度的限制。

图2显示了通过隔离器的SCLK信号与MISO响应和接收数据之间的关系。在图中，来自SOC的蓝色时钟信号被单片机上的隔离器传播延迟所延迟。当单片机响应并将数据发送回SOC时，接收数据通过隔离器经历第二次延迟。因此，初始时钟边缘和接收数据之间的总延迟大约是隔离器传播延迟的两倍：2×t支柱< ½t串行时钟.

图2。SPI回路定时的数字隔离器传播延迟

要满足10 MHz，需要满足最大25 ns的支柱延迟。光耦合器通常需要一个小的rl350-Ω，以满足快速定时规格，通常限制在SPI7MHz时钟速率，不考虑额外的边际。小rl使光耦合器的输出消耗更多的功率。市场上有各种各样的光耦合器解决方案，但在高功耗和更紧的时间安排之间有一个很强的权衡。

图1显示了如何用来隔离SPI只有一个ISO6741器件与两个带有附加无源组件的高速光耦合器相比。光耦合器电路的电路板占地面积为12mm×21.5 mm，而ISO6741数字隔离器的占地面积只有16

mm x 12 mm。ISO6741具有CMOS输入和推拉输出，这消除了对数据路径中的所有无源组件的需要。功耗的比较也见表2。对于SPI等更复杂的数字接口解决方案来说，选择一个具有强大的定时规格，以满足快速数据速率，同时消耗低功耗的隔离器是关键。

表2。竞争对手A、竞争对手B和ISO6741的当前消耗量

I2C

互集成电路（I2C）接口是一个双线串行接口，有效地允许多个设备连接在同一总线上。I2C总线由两条线路组成：双向串行数据行SDA）和串行时钟线（SCL），根据设计的不同，它们可以是单向的，也可以是双向的。母线的输出结构是开放式集电器，便于共享母线。I2C双向通道为隔离提供了一个独特的挑战。隔离信道必须支持双向数据传输，并且电路必须确保它在由发射机驱动时不驱动自己的线路。

在历史上，隔离I2C是通过光耦合器和离散逻辑来完成的，以控制线路上的数据方向。离散组件需要避免总线故障和双向线路上的任何锁存条件。如果没有离散组件，设计就会面临线路状况的风险，即左侧将信号线低至右侧，然后右侧将信号低至左侧。这将创建一个锁存条件，双向线永远不能释放返回高。图3显示了一个使用光耦合器的I2C隔离电路，其速度可达到400 kbps。为了简单起见，这个I2C图显示了一个“主-次级”实现，其中SCL只是一个单向信号。需要两个光耦合器设备：一个是传输SCL和SDA，另一个是接收SDA。

图3。I2C光耦电路

除了I2C接口所需的上拉电阻外，该电路还需要晶体管Q1和Q2，以及二极管D1和D2，以创建一个开放的集电极输出，并避免双向线路上的总线竞争。330-Ω上拉电阻值用于为光耦合器输入提供更高的输入电流，以满足所需的接通时间。

更现代的设计与数字隔离器利用外部组件的集成，以提供一个更小和更简单的解决方案。图5显示了使用光耦合器的解决方案的布局，与TI的单芯片ISO1641的比较。ISO1641已经集成了内部电路，需要防止SDA同时被驱动的两侧隔离器。ISO1640和ISO1641已经集成了SDA和SCL上的内部电路 如果设计需要，在SCL线上启用I2C时钟拉伸的双向控制。

该解决方案非常简单，SDA和SCL是隔离边界两侧唯一的双向数据引脚。此外，输入被缓冲，减少了解决方案的电流消耗，并消除了对LED电流限制电阻的需要。与光耦合器解决方案相比，ISO1640和ISO1641显著降低了电路的尺寸和复杂性。

图4。光耦合器电路的I2C足迹vs ISO1641隔离电路

虽然现有的基于光耦合器的设计可能需要多达16个离散组件，但TI的I2C隔离器解决方案可以在非常小的足迹内最少使用6个组件，同时简化信号路由。与单个ISO1640和ISO1641一起，唯一需要的独立组件是用于开放式集电极I2C母线的上拉电阻，以及用于数字隔离电源引脚的解耦电容器。将这个组件的数量减少到一个带有一些无源组件的单一数字隔离器，允许一个设计节省多达三倍的电路板空间。如图4所示，光耦合器电路是22 mm x 15.5 mm，而ISO1641隔离器的电路足迹只有15 mm x 8 mm。

I2C接口对设计有吸引力的几个主要原因是它的尺寸小，只有两根电线就很简单了。围绕着基于光耦合器的隔离I2C解决方案需要离散组件的复杂性，削弱了为什么首先使用该接口的价值。使用数字隔离器解决方案，如ISO1640和ISO1641，允许设计者将I2C接口的紧凑值带回到一个隔离的解决方案中。

结论

数字隔离器提供了显著的好处与传统的光耦合器电路相比隔离数字接口竞争的在UART的情况下，ISO6721提供更小的空间占用空间和更低的功率与光耦合器相比。对于SPI，ISO6741解决方案支持更高的时钟速率超过10 MHz，每信道功率较低，以及每个频道的成本是否明显低于图腾- 杆的实现。大的光电耦合器足迹围绕一个孤立的I2C设计变得没有吸引力随着系统变得越来越小。ISO164x系列I2C接口隔离器设计简单而小解决方案具有原生的能力来实现更高的性能I2C速度。数字隔离器产生了一个更小的 PCB占用由于通道整合和此外，还减少了被动组件的数量以提供健壮的隔离、定时规格和EMC表演它们还产生了电路图构建和调试比它们更简单吗光耦合器等价物.