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電流隔離LVDS接口

發(fā)布時間:2018-12-24 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀 】在這個自動化、數(shù)字化和工業(yè)4.0的時代,信號和數(shù)據(jù)的傳輸正在發(fā)揮著越來越大的作用。生產(chǎn)車間內(nèi)外的這些應(yīng)用中的機(jī)器、系統(tǒng)甚至個別傳感器的聯(lián)網(wǎng),不僅需要穩(wěn)定的基礎(chǔ)設(shè)施,還需要安全、快速、高精度、無干擾、高帶寬的傳輸路徑。


在這個自動化、數(shù)字化和工業(yè)4.0的時代,信號和數(shù)據(jù)的傳輸正在發(fā)揮著越來越大的作用。生產(chǎn)車間內(nèi)外的這些應(yīng)用中的機(jī)器、系統(tǒng)甚至個別傳感器的聯(lián)網(wǎng),不僅需要穩(wěn)定的基礎(chǔ)設(shè)施,還需要安全、快速、高精度、無干擾、高帶寬的傳輸路徑。根據(jù)應(yīng)用情況,傳輸路徑可能需要承受極端惡劣的環(huán)境條件。數(shù)據(jù)傳輸有多種不同方法:有線、無線、串行和并行。所有方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),需要針對具體應(yīng)用情況仔細(xì)權(quán)衡。

 

與有線系統(tǒng)相比,無線技術(shù)依賴一系列關(guān)鍵參數(shù)、不同元器件和當(dāng)前環(huán)境影響等因素。無線電通信的一個重要方面是無線電范圍,它取決于發(fā)射和接收天線的位置、發(fā)射功率、本地環(huán)境條件和頻率范圍。因此,在規(guī)劃無線電傳輸應(yīng)用時,必須考慮相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),尤其是與通信范圍有關(guān)(因而與接收信號質(zhì)量有關(guān))的標(biāo)準(zhǔn)。

 

過去,幾Mbps的帶寬即足以滿足接口轉(zhuǎn)換器或工業(yè)背板等應(yīng)用的需求。串行外設(shè)接口(SPI)或RS-485等不同接口部分需要的隔離,仍然可以通過標(biāo)準(zhǔn)解決方案實(shí)現(xiàn)。然而,當(dāng)前的工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等潮流需要大量測量和極其復(fù)雜的控制系統(tǒng),對數(shù)據(jù)速率或帶寬的要求也更高,而這又必須由接口承擔(dān)。對接口的這些及其他不斷增長的需求,例如更高安全性(體現(xiàn)為更高的介電強(qiáng)度)、更高可靠性和更小空間要求,傳統(tǒng)解決方案已不再管用。對此,數(shù)字隔離器也是最佳解決方案,因為其不僅滿足上述更高的安全性、性能和可靠性要求,而且還提供集成隔離及多路輸入輸出。

 

信號傳輸應(yīng)用常用的方法是低壓差分信號傳輸(LVDS)。這涉及到串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募扔薪涌跇?biāo)準(zhǔn)(TIA/EIA-644),除了極佳的節(jié)能特性和高達(dá)幾Gbps的數(shù)據(jù)速率潛力之外,它還具有很高的抗擾度。這些良好特性可歸因于內(nèi)部使用的電流控制或驅(qū)動器模塊的限流功能(最大3 mA)。信號差分電壓僅為20 mV。但是,它隨后在接收器側(cè)被放大回300 mV(差分)的邏輯電平。由此獲得的好處包括電磁干擾(EMI)極其低、開關(guān)速度極其快等。

 

LVDS接口常常與控制和調(diào)節(jié)系統(tǒng)一起使用,大數(shù)據(jù)量必須在電子電路之間或短電纜之間發(fā)送。它還能將時鐘信號非??焖俚胤峙浣o完整應(yīng)用中的不同器件,從而使相應(yīng)器件同步。工業(yè)測量應(yīng)用和控制系統(tǒng)中的模擬前端(AFE)屬于LVDS的典型應(yīng)用。不過,它也常用于實(shí)現(xiàn)多個數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的以及視頻信號傳輸中的數(shù)字接口,例如通過HDMI®。另一個不容忽視的方面是LVDS電路提供電流隔離的可能性。因此,它也用于任何需要隔離通信接口的地方,例如在電子電路或背板中。

 

背板是含有多個連接器的電路板,用于容納各種外掛板模塊?;鞠到y(tǒng)利用背板可輕松實(shí)現(xiàn)即插即用擴(kuò)展,以包括更多組件。然而,外掛模塊常常要經(jīng)受高壓瞬變,因為在許多應(yīng)用中,它們與連接到配電網(wǎng)的部件直接接觸。因此,外掛模塊容易受到雷擊等外部事件的影響。人體接觸引起的靜電放電,內(nèi)部電容突然充電、反極性充電或在插拔外掛模塊時放電,也會導(dǎo)致高瞬變。因此,安全隔離接口對于系統(tǒng)是必不可少的。

 

否則,如果發(fā)生電壓瞬變,相連組件很容易損壞,或者危及用戶。功能隔離的通信接口對工業(yè)測量儀器也很有利,因為隔離接口提供一個浮空接地,例如位于模數(shù)轉(zhuǎn)換器和微控制器之間。這樣,測量信號就不會影響和干擾應(yīng)用的其余部分,也不會受其影響或干擾。

 

市場上已經(jīng)有各種各樣用于實(shí)現(xiàn)隔離LVDS接口的產(chǎn)品。ADI公司的隔離LVDS系列是非常有效且可靠的解決方案,包括ADN4650、ADN4651和ADN4652,支持高達(dá)600 Mbps的數(shù)據(jù)速率,同時也符合非隔離LVDS接口的標(biāo)準(zhǔn)值。相比之下,標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器只能達(dá)到150 Mbps。由于采用iCoupler®技術(shù),盡管存在隔離,該系列仍能實(shí)現(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)速率。這涉及到利用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)實(shí)現(xiàn)片上變壓器,從而簡單地隔離數(shù)字信號并節(jié)省空間。

 

LVDS系列還提供超精密時間特性和極低的抖動(也稱為時序抖動)。抖動描述數(shù)字信號的上升沿和下降沿相對于理想時間基準(zhǔn)的偏差。在高數(shù)據(jù)速率下,低抖動非常重要,因為以600Mbps的速率傳輸一比特僅需1.6 ns。對信號上升沿或下降沿中的抖動要求是,必須讓模數(shù)轉(zhuǎn)換器有足夠的時間來達(dá)到實(shí)際的高電平或低電平,以便可以正確執(zhí)行采樣。

 

對于ADN465x系列,抖動典型值為70 ps。LVDS模塊還提供兩個隔離LVDS通道,構(gòu)成ADN4651中的發(fā)射和接收通道。ADN4652中的通道排列與ADN4651中的通道排列相反,而ADN4650僅提供發(fā)射或接收通道,具體取決于接線。ADN465x系列利用內(nèi)部2.5 V電源電壓工作;遺憾的是,工業(yè)系統(tǒng)常常沒有這種電源電壓,僅提供3.3 V電壓。因此,ADN465x系列中集成了低壓差穩(wěn)壓器(LDO),其輸入端可接受3.3 V的外部電源電壓。模塊或其輸入端及其隔離輸出端的供電可以使用隔離式ADuM5000 DC-DC轉(zhuǎn)換器等實(shí)現(xiàn)。這樣可以選擇性地產(chǎn)生5 V或3.3 V的隔離輸出電壓,最大功率輸出為500 mW。此電路配置如圖1所示。

 

結(jié)合ADuM5000,該器件系列可滿足當(dāng)今工業(yè)應(yīng)用對隔離LVDS接口的眾多要求。這種高度集成的解決方案還滿足標(biāo)準(zhǔn)化總線通信的所有先決條件。LVDS接口經(jīng)常用于節(jié)能應(yīng)用。對此,ADN4651和ADuM5000的組合是替代傳統(tǒng)光耦合器的極其省電的解決方案。常常需要同時隔離多個通道。

 

在LVDS應(yīng)用中,通道并行使用以使吞吐速率和相應(yīng)的波特率最大。所述采用ADI公司上述模塊的電路提供一個四通道隔離器:兩個發(fā)射通道和兩個接收通道。因此,一個電子組件上的兩個完整發(fā)射和接收通道可同時以非常高的傳輸速率進(jìn)行信號傳輸。

 

電流隔離LVDS接口

圖1. 采用ADN4651和ADuM5000的隔離LVDS接口

只要符合關(guān)于最大脈沖寬度失真的要求,利用ADN465x系列便可輕松達(dá)到DC至600 Mbps的數(shù)據(jù)速率。此外,布局中必須考慮與高速傳輸差分信號相關(guān)的一些因素。輸入側(cè)和輸出側(cè)走線應(yīng)匹配,并且相對于地具有近似50Ω的阻抗,或信號線之間具有100Ω阻抗。另外,建議在LVDS輸入端連接100Ω端接電阻,如圖2所示。

 

電纜長度和連接器類型也會影響最大數(shù)據(jù)速率。使用較低數(shù)據(jù)速率(最高200 Mbps)并與支持高數(shù)據(jù)速率和帶有屏蔽線對的連接器結(jié)合時,電纜甚至可以長達(dá)數(shù)米。

 

ADN4650/ADN4651/ADN46521是信號隔離式LVDS緩沖器,數(shù)據(jù)速率高達(dá)600 Mbps,并且具有極低的抖動。與ADuM5000的這種組合使其成為高速信號傳輸?shù)睦硐脒x擇,能夠?qū)崿F(xiàn)短距離600 Mbps和數(shù)米距離200 Mbps的傳輸速率。

 

電流隔離LVDS接口

圖2. 采用ADN4651的隔離LVDS接線電路

 
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