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2019年04月02日 | 技术文章—隔离式RS-485光耦合器设计的隐藏成本
2019-04-02
光耦合器，也称为光隔离器或光电耦合器，其已被用于实现电子电路电流隔离超过40年。光耦合器使用LED和光电晶体管来实现信号通信，而无需传输电流。作为一种低成本的解决方案，光耦合器一直很受欢迎。但考虑到数字隔离技术的进步，光耦合器真的是实现RS-485系统电流隔离的最具成本效益的方法吗？
图1所示为隔离式RS-485收发器使用光耦合器实现电流隔离的典型电路。该解决方案共需要三个光耦合器：两个高速光耦合器（每个用于发送和接收信号）以及一个用于方向控制的低速光耦合器。该解决方案还需要大量外部元件，包括施密特缓冲器、施密特触发器、电阻器和旁路电容器。所有这些组件都会增加成本和电路板面积。
图 1：采用光耦合器的隔离式RS-485设计
当今许多系统设计人员在各类工业市场中遇到了电路板空间限制的问题，因为他们的目标是在每一代新产品中实现更小的整体解决方案尺寸或增强功能。其中一个示例是调节楼宇中的温度和气流的暖通空调（HVAC）系统。随着智能节能楼宇的发展趋势，新型HVAC控制板需要能够将先进的监控和接口与智能恒温系统相结合，而不增加整体解决方案的尺寸。.
RS-485是这些系统中的通用通信接口，因为它具有长距离可靠性。当RS-485节点置于具有不同接地电位的位置时，共模噪声会导致通信故障，因此需要隔离以防止这些地电位差异。使用庞大的光耦合器解决方案隔离RS-485使设计人员只在系统的其他方面做出妥协，因此出现了对更小的隔离接口解决方案的需求。
除大尺寸解决方案外，许多设计人员还会遇到光耦合器的这些性能问题：
可靠性。光耦合器通常使用环氧树脂作为电介质；与其他常见电介质相比，环氧树脂在较低电压下会发生击穿，如图2所示。组件不一致和LED劣化也会导致器件到器件在隔离可靠性和寿命方面的差异。
绝缘材料 | 介电强度 |
空气 | ~1 Vrms/μm |
环氧树脂 | ~20 Vrms/μm |
二氧化硅填充模具化合物 | ~100 Vrms/μm |
聚酰亚胺 | ~300 Vrms/μm |
SiO2 | ~500 Vrms/μm |
图 2：普通绝缘体材料的介电强度
能耗：每个光耦合器需要5-10 mA才能驱动内部输入芯片上的LED。
温度范围：光耦合器大多限于承受85°C的最高环境温度，极少数例外情况下能承受高达105°C的温度。
开关规格：光耦合器的上升/下降时间和传播延迟随着偏置电流、电流传输比和器件到器件的变化而变化。
噪音抗扰度光耦合器的典型共模瞬变抗扰度范围为15 kV/μs至25 kV/μs。在高于此电平的电压瞬变的情况下，很可能出现数据损坏。
为满足日益增长的紧凑型解决方案需求且不影响性能，德州仪器开发了ISO1500隔离式RS-485收发器。图3与图1所示的光耦合器解决方案的尺寸进行了比较，这是业界标准的16引脚小外形集成电路（SOIC）隔离RS-485收发器和ISO1500。请注意，这些设计仅显示RS-485收发器的信号隔离。应用手册，“如何隔离RS-485系统的信号和电源”， 为RS-485系统中的隔离电源提供了有用概述。
图 3：光耦合器解决方案之间的解决方案尺寸比较（a）；业界标准的16引脚SOIC隔离式RS-485收发器（b）；和德州仪器的ISO1500 (c)
与分立式光耦合器解决方案相比，ISO1500可减少多达85％的电路板空间，与业界标准的16引脚SOIC封装相比，可节省多达50％的电路板空间。除了最小化解决方案尺寸外，ISO1500还解决了上面提到的许多性能问题。所有德州仪器隔离式RS-485收发器均采用半导体制造工艺制造，使用二氧化硅作为电介质，以最大限度地减少器件之间的差异，并提供更可靠的高压性能。ISO1500消耗<10μA的电流来驱动基于互补金属氧化物半导体的输入，可在-40°C至125°C的温度范围内使用。与传统光耦合器相比，具有可预测的开关规格和更高的抗噪性。当您将这些系统级优势与使用ISO1500所节省的电路板空间优势相结合时，很明显，光耦合器的成本远远高于仅为器件支付的价格。
史海拾趣
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