隔离高速数据接口

技术更新:选择合适的隔离器需要了解系统需求，以及哪个高速接口满足使用数字隔离器隔离其信号路径的要求。

通过托马斯Kugelstadt 2013年12月17日

高速接口用于数据通信集线器、无线基站、平板显示器、服务器以及打印机和数字复印机等外围设备中的快速数据传输。典型的距离从几英寸(ic之间或板与板之间)到几米(系统之间)。由于数据链距离较短，假设驱动器和接收机之间的地电位差较小，接收机所需的共模输入电压范围通常限制在几伏。

越来越多的高速接口被安装在工业应用中。这种恶劣的环境提供了外部噪声源，如电机和发电机，它们将噪声电流耦合到当地地面。这些电流可以提高总线节点之间的地电位差，超出总线接收器的共模电压范围，导致数据错误，甚至设备损坏。在接口组件的信号和供电线路中实施电偶隔离器，消除了总线节点之间的地电位差，限制了驱动器输出偏置的共模电压，并确保了可靠的数据流量。

选择合适的隔离器需要了解系统要求。为了简化设计任务，了解最流行的高速接口、低压差分信令和多点低压差分信令(LVDS和M-LVDS)，以及使用数字隔离器隔离其信号路径的要求。

LVDS

LVDS是一种低电压差分信令方案，用于点对点和多点数据链路中的高速数据传输。在TIA/EIA-644标准中定义，它是最常用的差分接口。

LVDS采用电流驱动技术，其中LVDS驱动器的h桥输出级在其两个差分输出端子之间交替切换4 mA的恒定电流源(图1)。在接收机输入端放置一个100欧姆电阻，终止差分对以消除反射，并将线路电流转换为标称400 mV的差分接收机输入电压。差压在1.2 V共模电位附近摆动，这是典型的驱动器输出偏置电压(图2)。

典型的LVDS应用包括高速背板通信，数据传输，以及跨电缆和系统之间的时钟分配，因此从板到板，以及一个印刷电路板(PCB)内的电路内通信链路。LVDS支持的两种总线拓扑是点到点和多点。

点对点数据链(图3)通过一对电线或轨迹将单个驱动器连接到单个接收器。链路的接收端有一个终止电阻。通常，多个点对点链路并行设计，以增加两个通信点之间的总带宽。

在多点拓扑中，单个驱动程序驱动多个接收器，如图4所示。由于LVDS是为点对点应用设计的，其有限的驱动能力限制了可连接的接收器数量和可实现的信号距离。

M-LVDS

为了将LVDS技术扩展到多点应用，创建了多点LVDS或M-LVDS的新标准(TIA/EIA-899)。M-LVDS可以实现比RS485或控制器局域网(CAN)更快的通信链路，但功耗更低。

为了支持多点应用的更高总线负载，M-LVDS驱动器具有比LVDS驱动器更高的电流驱动能力。它们可以在更长的信号距离上驱动多达32个节点，并具有摆动速率控制的转换，以最大限度地减少长电缆运行中的电磁干扰(EMI)。M-LVDS接收机比LVDS接收机具有更宽的共模输入电压范围，并为总线空闲条件提供故障安全接收机选项。

在多点拓扑中，每个总线节点既可以发送也可以接收。存在两种类型的多点总线:半双工和全双工版本，如图5和6所示。

半双工总线使用两条线，其中一个节点可以传输数据，而另一个节点可以接收数据。在全双工总线中，使用两个信号对(四根导线)。其中一对连接主节点的驱动程序和多个从节点的接收器。另一对连接从节点的驱动程序到主节点的接收器。这种拓扑结构允许主节点向所有从节点广播数据，或者向特定的从节点发送地址，同时从节点接收数据，一次接收一个从节点。

多点母线的一个重要条件是母线空转，即没有驾驶员驾驶母线，母线差压为零。标准或Type-1 M-LVDS接收机的输出不确定，其对称输入阈值为±50 mV。为了确保总线空转期间定义的低接收机输出状态，Type-2 M-LVDS接收机具有+50 mV至+150 mV的偏置输入阈值。

为了进行比较，表1列出了LVDS和M-LVDS组件的主要驱动器和接收器特性。

表1。LVDS和M-LVDS的驱动和接收特性

隔离数据链路

表1显示，LVDS和M-LVDS接收机的输入电压范围仅限于几伏，因此允许非隔离数据链中的地电位差(gpd)不超过±1v。然而，在实际应用中，即使是较短的总线长度也可能具有高达30v甚至更高的gpd，从而远远超过接收机的最大输入电压范围。

图7显示了一个非隔离的数据链路。由于接收机输入内部有参考接收机地的偏置，因此最大接收机输入电压是信号电压(VD)、驱动器输出偏置电压(VOS)和驱动器和接收机接地之间的电压差(GPD)的和。因此，数据链是完美工作还是遭受过电压电位的破坏在很大程度上取决于GPD。

将总线组件与本地节点电路隔离(图8)消除了驱动器和接收器之间的大GPD。驾驶员和接球员的场地现在漂浮起来了。由于唯一的共模分量是VOS，接收地假定为VOS电位。由此产生的驱动器和接收机接地之间的电压差也是VOS。

因此，电隔离通过使数据链独立于大的地面电位差来确保健壮的数据流量。

建议仔细选择数字隔离器，因为这些隔离器会引入额外的传播延迟、抖动和倾斜，这些都会影响总线线路上的信号定时。如果这些参数超过某些值，则单个信号对的信号之间以及多通道链路的并行信号对之间可能无法提供同步性。

在隔离器数据表中寻找的最重要的定时参数是:

tPLH, tPHL，低到高和高到低转换的传播延迟
PWD，脉宽失真或传播延迟之间差异的大小，|tPHL - tPLH|
tSK(o)，信道到信道的倾斜，多个信道之间的转换差
tSK(PP)，部分到部分的倾斜，多个设备转换之间的差异。

为了便于比较，表2(下面)列出了电容式和电感式150mbps 4通道数字隔离器的定时参数。

表2。比较电容式和电感式4通道隔离器的最坏情况时间参数

两种隔离器技术的参数值几乎相同，除了感应隔离器有较大的部分对部分倾斜。这意味着，只要潜在的数据链路被限制在4个通道，只需要一个隔离器IC，由于低通道到通道的倾斜，同步性是有保证的。对于需要多个隔离器设备的更高通道计数，必须通过使用具有动态相位调节(DPA)的现场可编程门阵列(fpga)来补偿感应隔离器的16ns倾斜。

然而，如果DPA不可用，则确保同步数据传输的唯一方法是遵守严格的时间预算，这可以使用电容隔离器轻松完成。

考虑到感应隔离技术已经是第三代了，对于感应隔离器来说，部分对部分的偏斜是否会得到改善还是个疑问。

电力消耗

在选择隔离器技术时，另一个重要的决定因素是高数据速率下的功率或电流消耗。毕竟，LVDS是在毫瓦提供千兆比特的前提下创建的。因此，高速隔离器必须提供足够低的电流消耗来实现这一前提。图9中每个通道的供电电流的比较显示，电感隔离器仅在高达10 Mbps的低数据速率下才具有低功耗，在这种情况下它们通常会取代光隔离器。然而，在大约15 Mbps时，电容式隔离器已经开始消耗更少的电流。在50mbps到150mbps的数据速率下，电容技术仅消耗感应隔离器所需电流的一半到三分之一，从而显示出其优势。

低成本，低功耗

由于时间预算紧张，功耗低，数字电容式隔离器非常适合于隔离高速接口，如LVDS和M-LVDS。德州仪器提供大量的LVDS单路和多路驱动器和接收机、M-LVDS收发器以及高速数字隔离器。

Thomas Kugelstadt是德州仪器公司的高级系统工程师。由CFE Media内容经理马克·t·霍斯克编辑，控制工程、mhoske@cfemedia.com．

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作者简介:Thomas Kugelstadt是德州仪器公司的高级系统工程师。他负责定义新的高性能模拟产品，并为具有健壮瞬态保护的工业接口开发完整的系统解决方案。他是法兰克福应用科学大学的研究生工程师。

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