使用整合式數位隔離器保護工業通訊網路

為了確保廠房的順暢運作以及高效運用工業物聯網 (IIoT) 原則，可靠的工業通訊至關重要。此類通訊大部分都是通過區域網路進行，而這種網路能提供多點通訊鏈路和長距離數據傳輸。這些通訊使用經過證實的技術，例如可支援 Profibus、Interbus 或 Modbus 等較高階協定的 RS-422/RS-485 介面。即便如此，這些網路還是容易受到干擾。

例如，工業網路上連接的機櫃若是遇到靜電放電 (ESD)，系統的共模電壓則會上升到 20 V 以上，遠超出 RS-422/RS-485 標準指定的 12 V 最大工作電壓。暴露在如此大的電壓尖波下，就連特別耐用的 RS-422/RS-485 收發器都可能發生數據毀損，或甚至整個故障。藉著將靈敏的收發器與訊號和電源電壓尖波隔離，工程師便能減緩這些風險。但是，使用變壓器或光耦合器的傳統隔離技術自身也需要進行一些取捨，包括增加的解決方案尺寸、成本、複雜性，以及傳輸量限制。

一種新式的數位隔離方法採用晶片級變壓器，讓 RS-422/RS-485 收發器得以將多個隔離式 DC-DC 穩壓器和一個三通道訊號隔離器，全都整合在單一晶片上。這些元件可讓工程師打造更輕巧、更簡易且更便宜的數位隔離式工業通訊系統。

本文將探討隔離問題以及不同的解決方法；接著說明能提高數位隔離技術整合度的平面變壓器技術進步。本文以實際範例為基礎，介紹 Analog Devices 兩款高度整合的隔離式 RS-422/RS-485 收發器解決方案及其使用方式。

傳統的電源與訊號隔離方法

在傳統系統中，電源隔離通常是藉由變壓器達成 (圖 1)，但此技術有以下幾個缺點：

• 若與非隔離式電源供應器使用的同等電感相比，變壓器通常更貴且尺寸更大，因此隔離式元件也會較大且更昂貴。
• 變壓器的效率比電感低。
• 由於隔離屏障阻止電源供應器的輸出被直接感測和嚴密控制，因此穩壓和暫態效能不如非隔離式元件。
• 較小的非隔離式 DC-DC 轉換器可以放在靠近負載的位置，藉此降低傳輸線效應並提高效率。
• 由於變壓器通常是客製化裝置，因此任何兩個變壓器都不會提供完全相同的輸出。

圖 1：隔離式 DC-DC 電源供應器 (下) 以變壓器取代非隔離式版本中的電感，如此會增加尺寸和成本，並降低效率。(圖片來源：DigiKey)

傳統上，隔離式訊號屏障的實作方法是採用光耦合器。最基本款式的光耦合器是採用一個 LED，以及一個封在防光封裝內的光電電晶體，不過也有其他版本的產品可用。LED 的開啟和關閉可呈現數位資訊，而屬於光敏雙極元件的光電電晶體，則會藉著改變發射器和集極間的電流流動來回應。

使用光耦合器進行訊號隔離，既簡單又有效，但也有幾項缺點。這些缺點包括：

• LED 的電源要求相對較高，而且只要輸入訊號偏高，光耦合器的 LED 就必須亮起，這可能導致效率不彰。
• 光耦合器往往因為 LED 故障而毫無預警地停止運作。
• 傳播延遲會限制傳輸量。
• 由於光耦合器的輸入和輸出不是由邏輯閘極驅動，元件和數位系統其餘部份的連接更加複雜。
• 很難將多個光耦合器通道整合至單一封裝中。

除了這些挑戰，傳統隔離方式還需要不同的電源和訊號隔離元件，因為龐大的變壓器無法像光耦合器一樣，可以整合到相同的元件上。

縮小的數位隔離方案

數位隔離解決方案無需昂貴龐大的變壓器，以及會限制傳輸量的光耦合器，即可解決傳統隔離方案帶來的挑戰。加上長使用壽命與高傳輸量等優勢，此技術打造的解決方案不但功耗較低，而且更輕巧。

不過，數位隔離方案依然會增加成本和複雜性，因為元件相對昂貴，而且隔離式電源和訊號功能還需要使用不同的元件 (除了網路的收發器)，才能符合隔離標準。

但最近在技術、材料和微型化層面的進步，整合度和隔離效能均得以大幅提高，以致於現今已不再需要使用外接式 DC-DC 隔離區塊。這些數位隔離解決方案能減少成本，降低複雜性和空間需求。

增強型數位隔離技術的範例包括 Analog Devices 的 iCoupler 和 isoPower 數位訊號與電源隔離技術。isoPower 採用二次側控制器架構，並包含隔離式脈寬調變 (PWM) 回授。電力會供應到振盪電路，把電流切換至晶片級平面變壓器，再由其將電力傳輸到二次側，在此處進行整流並穩壓至 3.3 V (圖 2)。

圖 2：iCoupler 和 isoPower 使用晶片級平面變壓器，不需要晶片外電源和訊號隔離區塊。(圖片來源：Analog Devices)

回授迴路使用隔離式數據通道，對振盪器電路進行調變，藉以控制傳送到二次側的電力。新增回授後，便可能達到更高的功率，也會大幅改善效率和穩壓效果。此晶片級變壓器能提供絕佳的共模暫態耐受性，最高可達 100 kV/μs。

此外，iCoupler 還採用晶片級變壓器繞組，能以磁力耦合數位訊號。相較於光耦合器，這類數位隔離能減少一個數量級的功耗。此技術的基礎原理是：將輸入訊號的上升緣及下降緣編碼成雙或單電流脈衝，藉以驅動一次繞組。這樣又會產生小型局部磁場，在二次繞組內引發電流。電流脈衝的時間長度大約是 1 ns，因此平均電流不會太大。這些脈衝經解碼回至二次側的上升緣／下降緣 (圖 3)。

圖 3：iCoupler 將輸入訊號的上升緣及下降緣編碼成電流脈衝，以驅動一次繞組，並在二次繞組內引發電流。這些脈衝接著會解碼回至上升緣／下降緣。(圖片來源：Analog Devices)

隔離式工業網路解決方案

現在，市面上已推出將 iCoupler 和 isoPower 訊號與電源隔離技術整合至單一晶片的商用收發器。Analog Devices 的數位隔離式 ADM2682EBRIZ 和 ADM2687EBRIZ RS-422/RS-485 收發器，屬於輕巧簡易型數位隔離解決方案，價格便宜且功耗低。

ADM2682EBRIZ 的數據傳輸率為 16 Mbit/s，而 ADM2687EBRIZ 可處理的傳輸率高達 500 kbit/s。這些元件屬於完全整合式 5 kV_rms 訊號和電源隔離式數據收發器，具備 ±15 kV ESD 保護功能，適合在多點工業系統上進行高速通訊。此種收發器包含整合式 5 kV_rms 隔離式 DC-DC 電源供應器，不再需要外接式 DC-DC 穩壓器。

每個晶片內整合了三通道隔離器、三態差動線路驅動器、差動輸入接收器，以及隔離式 DC-DC 轉換器 (圖 4)。ADM2682EBRIZ 和 ADM2687EBRIZ 由 3.3 V 或 5 V 的電源供電。產品功能包括透過電流限制和熱關斷來提供輸出短路保護功能，以及避免發生因匯流排爭用導致的功率過度耗散情形。產品指定的工業溫度範圍為 -40˚C 至 +85˚C。

圖 4：Analog Devices 的 ADM2682EBRIZ 和 ADM2687EBRIZ 收發器在單一封裝內，整合了三通道隔離器、三態差動線路驅動器、差動輸入接收器和隔離式 DC-DC 轉換器。(圖片來源：Analog Devices)

這些 RS-422/RS-485 收發器已通過光學、電容和電感式隔離器規格 UL1577 認證。此規格要求的保護和絕緣功能為最高 5 kV 且長達一分鐘，而且在控制器接地和 RS-422/RS-485 訊號線間的暫態耐受性為 25 kV/μs。

管理數位隔離元件的 EMI

雖然數位隔離技術能解決傳統隔離在設計上的挑戰，卻也帶來本身具有的關鍵性挑戰，亦即此技術使用振盪器電路和電流脈衝，導致電磁干擾 (EMI) 的機率增加。

舉例來說，Analog Devices 的隔離電源技術使用振盪器電路，可在 180 和 300 MHz 之間的頻率下，將電流切換至變壓器內。二次側的整流器電路會在整流期間將此頻率加倍。所得的工作頻率會超出標準 DC-DC 轉換器的三個數量級之多，而且該元件在 30 MHz 至 1 GHz 之間產生的雜訊會造成有問題的 EMI。

四層電路板若包含使用 iCoupler 和 isoPower 的 RS-422/RS-485 收發器，則可能有兩種 EMI 來源：邊緣放射和輸入至輸出雙極放射。邊緣放射的產生原因是許多來源的差動雜訊達到板件的邊緣，是從平面至平面空間 (作為波導) 中洩漏而來。輸入至輸出雙極輻射的產生方式是驅動電流源跨過接地面之間的空隙，這正好是隔離式電源供應器的功能 (圖 5)。

圖 5：輸入至輸出雙極輻射的產生方式是驅動電流源跨過接地面之間的空隙。(圖片來源：Analog Devices)

設計人員可使用以下技術來減少這些放射：

• 輸入至輸出接地面拼接電容量
• 負載控制
• 邊緣防護
• 平面間電容旁路

若將拼接電容放在電路板接地面中跨越任何分區的訊號鄰近處，設計人員便可消除電路板傳導平面間的任何差動電流及電壓，以避免產生電子雜訊。若要形成拼接電容量，可以使用三種技術：跨越屏障使用安全額定電容；使用浮動金屬面跨越內層上隔離側與非隔離側間的間隙；或是將內層上的接地面和電源面延伸至電路板的隔離間隙內，以便形成電容。

設計人員可儘量減輕 isoPower 元件的工作負載，以減少 EMI 的發生率。輕負載能減少振盪器的導通時間，也就能降低元件產生的雜訊量。

在電路板上，可以使用固態導電邊緣處理進行邊緣防護，但成本很高。一種較低成本的有效邊緣防護解決方案是，在板件的邊緣採用以通孔鑲邊接合的防護環結構。建立邊緣防護有兩個目標。第一，將來自通孔的圓柱型放射反射回平面間空間，使其不會自邊緣逸出。第二，對內平面上因雜訊或大電流而流動的任何邊緣電流進行屏蔽處理。

平面間電容旁路技術可藉著改善高頻率下的旁路完整性，減少板件的傳導放射及輻射放射。使用電源面和接地面的較薄核心層，即可進行此技術的實作。這些緊密耦合之平面提供的平面間電容層，能夠輔助任何板式安裝的旁路電容。

評估隔離式工業通訊系統

Analog Devices 提供適合 ADM2682EBRIZ 和 ADM2687EBRIZ RS-422/RS-485 收發器使用的評估板。尤其 EVAL-ADM2682EEBZ 評估板專門用於 ADM2682E，EVAL-ADM2687EEBZ 評估板專門用於 ADM2687E。

這些板件可以輕鬆評估訊號及電源隔離式 RS-422/RS-485 收發器。螺絲端子台能使電源和訊號連接更為便利，評估板則能透過跳接線連接進行輕鬆設定。

評估板可用於半雙工或全雙工配置中。接收器輸入安裝了一個 120 Ω 終端電阻 (R_T)。驅動器及接收器可透過跳接線連接進行啟用和停用。測試點位於隔離屏障兩側的電源線和訊號線上。LK1-4 鏈路可進行重新配置來啟用／停用功能，或是將輸入和輸出從測試點切換到端子台。LK5 和 6 鏈路同時連接時，板件便已設定為半雙工作業；兩者皆開啟時，板件便設定為全雙工作業 (圖 6)。

圖 6：Analog Devices 用來測試數位隔離式 RS-422/RS-485 收發器的評估板基本操作設定。LK1-4 鏈路可進行重新配置來啟用／停用功能，或是將輸入和輸出從測試點切換到端子台。LK5 和 6 鏈路可決定全雙工或半雙工作業。(圖片來源：Analog Devices)

這些評估板不只能讓設計人員對採用 ADM2682EBRIZ 和 ADM2687EBRIZ RS-422/RS-485 收發器的工業通訊系統進行測試，其設計也使用上述技術，以減少高頻率切換元件產生的 EMI，其中這些切換元件用於透過收發器來傳輸訊號和電源。

有關 ADM2682E/2587E 的全雙工電路實作，請見圖 7。最多可將 256 個收發器連接到匯流排。R_T 的放置需視節點的位置和網路配置而定。一般來說，為了將反射降到最少，需要在線路接收端以特性阻抗終接線路，並將短載的長度保持在最短。

圖 7：最多可將 256 個收發器連接到 RS-485/RS-422 匯流排。設計人員需小心將 R_T 放置在接收端；在半雙工模式下則包含兩端 (此處顯示全雙工模式)。(圖片來源：Analog Devices)

若屬於半雙工作業，線路的兩端皆需終接，因為任一端都可能是接收端。

結論

訊號和電源電壓尖波是工業通訊系統的風險來源。 工程師可以使用數位隔離技術來消除這些風險，但包含離散隔離元件的傳統解決方案，必須在成本、複雜性和空間等方面作出一些取捨。

如本文所示，新方法運用平面變壓器先進技術，可將數位隔離技術整合到收發器上 (如用於 RS-422/RS-485 網路的收發器)，以降低成本並減少空間。