工業和儀器儀表（I&I）應用的一個關鍵要求是通過診斷端口檢查連接系統的可靠數據接口。RS-232總線標準是I&I應用中最古老，使用最廣泛的物理層總線設計之一。RS-232于1962年首次推出，是一種單端數據傳輸標準;然而，盡管有傳言說它早早消亡，但它繼續在整個行業中廣泛用于短電纜通信。

為了在惡劣的工業環境中實現可靠的數據通信鏈路，RS-232診斷端口必須在RS-232電纜網絡和連接的系統之間提供隔離接口，以防止嘈雜環境中的電壓尖峰和接地環路，并提高系統可靠性（圖1）。RS-232通信鏈路的電源隔離通過使用隔離式DC-DC電源或ADI公司的isoPower集成DC-DC轉換器技術來實現。RS-232通信鏈路的信號隔離采用光耦合器或ADI公司i耦合器技術實現。??

圖1.典型的隔離式RS-232通信鏈路。

如圖2所示，隔離柵將RS-232總線與與其連接的每個系統電氣隔離，允許數字數據在兩點之間傳輸，但阻止接地環路電流流動;這通過消除耦合到通信電纜上的噪聲來減少信號失真和錯誤。

圖2.隔離功能。

實現隔離式RS-232接口

為了提供隔離的RS-232通信接口，兩端的設備必須與連接它們的RS-232電纜隔離。要隔離數據鏈路，必須隔離數據信號線和驅動電纜所需的電源。來自診斷端口UART的數據需要越過隔離柵到達隔離總線側的RS-232收發器。本地 5V/3.3V 電源也需要跨越隔離柵，為隔離總線側的 RS-232 收發器供電。這也需要在工業PC端進行：數據和電源都需要跨越隔離柵（圖3）。

通過將兩個器件與RS-232電纜網絡隔離，診斷端口和工業PC電路都可以防止在惡劣環境中耦合到RS-232電纜上的瞬變。由于診斷端口和工業PC側的不同接地電位而可能發生的接地環路被隔離中斷。RS-232總線上可能出現的高共模電壓不允許跨越隔離柵，從而保護隔離數據的人類用戶。

圖3.隔離式 RS-232 接口。

隔離技術：數據和電源

圖4比較了兩種主要的隔離技術。我耦合器技術（圖4（a））通過使用厚膜處理技術構建可實現2.5 kV隔離的微尺度片上變壓器，在RS-232系統中提供信號隔離。較舊但應用廣泛的光耦合器解決方案（圖4（b））使用發光二極管（LED）和光電二極管。LED將電信號轉換為光，光電探測器將光轉換回電信號。電光轉換的固有低轉換效率導致相對較高的功耗，光電探測器的緩慢響應限制了其速度，老化限制了其使用壽命。

直接在芯片上制造變壓器，使用晶圓級處理，允許i耦合器通道彼此之間以及與其他半導體功能之間的低成本集成。ADM3252E就是一個例子，它是一款隔離式雙通道RS-232收發器，集成在單個緊湊器件中。我耦合器隔離至少在五方面克服了舊式光耦合器解決方案的限制：集成（由于i耦合器的雙向操作，降低了整體解決方案尺寸和系統成本），性能更高，功耗更低，易于使用，可靠性更高。

圖4.隔離技術比較。

直到最近，跨越隔離柵傳輸功率需要單獨的DC-DC轉換器，這種轉換器相對較大，價格昂貴且隔離不足，或者需要定制的分立方法，既笨重又難以設計。這些方法是唯一可行的替代方案，即使在隔離式RS-232數據通信等應用中，也只需要少量的隔離電源。

為了解決這個問題，ADI公司開發并制造了一種完整的、完全集成的解決方案，該解決方案使用微變壓器將信號和功率傳輸結合在隔離柵上。我們成熟的i耦合器技術的這種擴展，稱為isoPower，是一個突破性的替代方案。單個組件內的信號和電源隔離（高達 2.5 kV）消除了對體積龐大、昂貴且難以設計的隔離電源的需求。它可以顯著減少典型隔離式RS-232接口的電路板空間、設計時間和總隔離系統成本。以下各節描述了該技術適用的兩種典型RS-232設計情況。

隔離式高速雙通道RS-232接口

圖5比較了使用分立元件的傳統解決方案與完全集成的解決方案。

圖5.隔離式RS-232設計進行比較。

實現完全隔離的2通道RS-232接口的傳統方式（圖5（a））是使用光耦合器提供RS-232鏈路的數據隔離。每條數據線（TIN1、TIN2、ROUT1、ROUT2）需要一個光耦合器，每個數據線都需要一個外部緩沖器。隔離式電源使用變壓器驅動器 IC 驅動分立變壓器，以及簡單的整流電路和 LDO（低壓差穩壓器）來清理隔離式 5V 或 3.3V ISO V抄送軌。為了實現，這種設計需要8個IC和一些無源元件，外加大量的電路板空間。

在圖5（b）所示的單芯片解決方案中，只需一個IC （ADM3252E），外加兩個去耦電容和四個電荷泵電容，即可實現適用于所有四個信號的全隔離（2.5 kV）雙通道RS-232接口。

ADM3252E（圖6）將標準RS-232收發器與4通道i耦合器相結合，為RS-232數據信號提供信號隔離。它還集成了 iso電源技術，以提供片上電源隔離。ADM3252E通過結合i耦合器和iso電源隔離技術集成RS-232收發器，能夠在單個封裝（12 mm×12 mm）中提供具有2.5 kV rms隔離的完全隔離RS-232接口，僅需6個外部電容。

圖6.ADM3252E隔離式雙通道RS-232收發器。

這種單芯片解決方案顯著縮短了隔離式RS-232接口所需的設計時間和電路板空間。由于PCB上放置的元件數量大大減少，因此可靠性得到增強并降低了成本，從而降低了制造成本并提高了可靠性。此外，ADM3252E無需任何修改即可用于5 V或3.3 V應用，避免了分立式設計所需的設計更改。

isoPower 技術在 44 BGA 封裝內直接在片上提供 2.5kV 電源隔離，無需傳統解決方案中使用的昂貴分立變壓器。此外，i耦合器技術提供信號（數據）隔離，無需四個分立光耦合器通道。

靜電防護

由于RS-232電纜由用戶物理連接和斷開，因此RS-232發射（Tx）和接收（Rx）引腳（TxD1，TxD2，RxD1，RxD2）的ESD（靜電放電）保護非常重要，以確保堅固可靠的接口。ADM3252E在RINx和TOUTx引腳上的ESD保護符合IEC 1000-4-2 （801.2），如下所示：

接觸放電：±8 kV

氣隙放電：±15 kV

瞬態保護

為了使隔離式RS-232收發器能夠在工業應用中非常惡劣的工作條件下工作，隔離技術（i耦合器和iso電源）具有高（>25 kV/μs）共模瞬態抗擾度，這是在保持規范合規性的同時可以維持的共模電壓（邏輯側和總線側之間的電位差）的最大壓擺率。瞬態幅度是共模電壓壓擺的范圍。共模電壓壓擺率適用于共模邊沿的上升和下降。該規范確保在惡劣環境中耦合到RS-232電纜上的任何瞬變都不會損壞RS-232收發器或導致錯誤數據通信，從而實現非常高的可靠性數據鏈路。

2.5kV 隔離保護和認證

隔離式收發器的額定隔離電壓為器件邏輯側和總線側之間的 2.5kV 隔離。此隔離額定值可確保沒有電流流入或流出邏輯側到RS-232電纜上。它還確保耦合到RS-232電纜上的電壓或瞬變不允許到達邏輯側。2.5kV 隔離保護還意味著邏輯側用戶可以免受 RS-232 電纜上可能出現的高電壓或瞬變的影響。ADM3252E的2.5 kV隔離額定值正在等待以下機構的批準：美國保險商實驗室（UL）、德國電氣技術公司（VDE）和加拿大標準協會（CSA）。UL 1577認證要求所有ADM3252E器件（與光耦合器一樣）的隔離柵必須經過100%的生產測試：

UL認可

2500 V rms，持續一分鐘，符合 UL 1577 標準

VDE合格證書

IEC 60747-5-2（VDE 0884，第 2 部分）

VIORM = 560 V 峰值

CSA 組件驗收通知#5A

ADM3252E規格參數

ADM3252E是2通道、高速、完全隔離（數據和電源）RS-232收發器，非常適合在電氣惡劣的環境中工作，或者RS-232電纜經常插入和拔出。該器件集成了四個獨立的i耦合器數字隔離通道（兩個發射通道，兩個接收通道）和一個isoPower芯片級DC-DC轉換器，提供2.5 kV rms隔離、25kV/μs瞬態抗擾度和±15kV ESD保護。它以高達 460 kbps 的數據速率進行通信，符合 TIA/EIA-232E 規范。片內倍壓器和逆變器可實現單電源供電。ADM3252E采用3.0 V至5.5 V單電源供電，空載時功耗為20 mA。該器件采用 12mm × 12mm 44 引腳 CSP BGA 封裝，額定溫度范圍為 –40°C 至 +85°C，千 1000 秒售價為 8.49 美元。

印刷電路板布局

隔離式收發器的PCB布局對于確保在實際設計中實現指定的2.5 kV隔離至關重要。主要考慮因素是爬電距離（兩個導體之間沿表面的最短距離）和邏輯側GND和總線側GND之間的間隙（通過空氣的最短距離）。ADM3252E的邏輯接口無需外部電路。輸入和輸出電源引腳需要電源旁路（圖 7）。有關控制輻射發射（EMI）的PCB布局和結構指南的更多信息，請參見AN-0971應用筆記，使用isoPower器件控制輻射發射的建議。

圖7.ADM3252E推薦的印刷電路板布局。

隔離式高速單通道RS-232接口

對于僅需要一個通道（1 Tx、1 Rx）、5 V隔離RS-232接口的收發器應用，ADM3251E提供采用20引腳寬體SOIC的單芯片解決方案。ADM3251E收發器集成了i耦合器和iso電源隔離技術;它是首款具有數據線和電源完全隔離功能的表面貼裝RS-232收發器。該器件的隔離額定值為 2.5kV，符合行業標準隔離要求（UL1577 和 DIN VDE 0884-10）。這可確保其滿足嘈雜操作環境所需的魯棒性水平，例如工業自動化和控制應用中的隔離式RS-232診斷數據端口。與傳統 IC 相比，SMT 封裝可減少 45% 的電路板空間，并有助于加快制造過程并降低系統開發成本（圖 8）。

圖8.單通道RS232收發器應用。（a） ADM3251E規格。（b） 遺留辦法。（c） i耦合器+iso電源方法。

結論

當今工業和儀器儀表應用中的RS-232接口鏈路需要小巧、堅固、廉價且隔離。通過將芯片級變壓器隔離與標準RS-232接口收發器集成，可以提供單芯片、完全隔離的RS-232收發器（包括隔離電源）來提供這些優勢。雙通道ADM3252E和單通道ADM3251E顯著縮短了設計時間，為這些要求苛刻的應用提供了緊湊、可靠、低成本、高性能的解決方案。

審核編輯：郭婷