技術手冊

UART

通用異步收發器 (UART) 是一種非常簡單的兩線制串行接口，可實現兩個設備之間的低速通信。兩條推挽單向線為接收 (RX) 和發送 (TX)組件。該接口無需時鐘即可工作，因此接收器通過對正電壓脈沖的周期進行采樣來自動確定位速率。自動位速率檢測限制了 UART 所能達到的最大位速率，因此數據速率超過 100kbps 的情況非常少。

UART 僅需要隔離兩個通道，較低的速率使得簡單易用的低成本解決方案成為理想的選擇。圖 1-1 所示為一個使用光耦合器電路的隔離式 UART 接口，以及一個使用 ISO6721 的等效電路，TI 的數字隔離器解決方案適用于成本敏感型應用。

UART 接口通常配置有標準二極管輸入和集電極開路輸出光耦合器。光耦合器需要額外的電路，這會增加電路板空間并導致額外的功耗。在光耦合器的輸入側，需要將一個串聯電阻器 R_i 連接到陽極，從而限制流經二極管的電流。由于器件老化，光耦合器的電流傳輸比 (CTR) 會降低。為了在系統的整個生命周期內保持相同的性能水平，設計人員必須選擇使用一個具有高 R_i 的電阻器來進行過度設計，這會消耗額外的電流。

集電極開路輸出需要一個上拉電阻 R_L，從而創建邏輯高電平狀態。選擇合適的 R_L 值，從而盡可能地降低功耗，同時還保持所需的時序規格。為了確保光耦合器的輸出具有最大電壓擺幅，從而滿足適當的邏輯高電平狀態并保持穩健的信號完整性，選擇高 R_L 值非常重要。相反，增大此值會降低光耦合器響應高電阻負載和光晶體管高結電容所導致的快速電壓變化的速度，最終限制設計人員為 UART 實施的總速度。

與光耦合器解決方案相比，ISO6721 數字隔離器消耗的電流減少了 5 至 10 倍。表 1-1 所示為兩個電路之間總電流消耗的差異。此外，由于未使用額外的無源器件，ISO6721 提供了非常嚴格的通道間時序規格和較小的解決方案尺寸。光耦合器電路的外形尺寸 (7mm × 7.4mm) 約為單個數字隔離器尺寸 (6mm × 4.9mm) 的兩倍。ISO6721 數字隔離器電路簡單易用，是被廣泛使用的一種更佳的簡單型數字接口解決方案。

SPI

串行外設接口 (SPI) 是一種 CMOS 邏輯串行接口，需要四條單向數據線路。SPI 的優勢在于其具有更高的速度，位速率通常會超過 1Mbps，在某些情況下甚至會達到 30Mbps。SPI 的推挽輸出可滿足快速切換的要求，獨立的發送和接收線路支持全雙工通信，而共享接口時鐘可自動使雙方之間的位邊界同步，因此能夠滿足高速要求。SPI 是一個“主-輔”接口，這意味著總線上只有一個設備可以控制何時允許進行通信。

需要四個通道來隔離 SPI 接口。四種典型的 SPI 接口線為 SCLK、CS、MOSI 和 MISO。有兩種類型的高速光耦合器可與 SPI 一同使用：集電極開路輸出和圖騰柱輸出。這些類型的光耦合器最多只能集成兩個通道，這意味著必須將兩個到四個光耦合器一同使用從而隔離所有四個 SPI 通道。

如 圖 1-2 所示，使用高速集電極開路輸出時，還需要一個串聯電阻 R_i，在這種情況下，電阻器和光耦輸入并聯電容的組合將產生一個低通濾波器。低通濾波器限制了位速率最大值和 SPI 總吞吐量。

為了減輕這種影響，在電阻器 R_i 的兩端放置了一個電容器 C_peak，從而銳化位流的邊緣。具有集電極開路輸出的光耦合器將需要一個上拉電阻器 R_L 來創建邏輯高電平狀態。高電阻值不僅會限制可實現的位速率，還會降低電路級的功耗，因此 R_L 值會帶來挑戰。

除具有集電極開路輸出的高速光耦合器外，還提供具有推挽輸出的產品。對于高速圖騰柱輸出光耦合器，輸入的配置方式與集電極開路的配置方式相同，但輸出為推挽式配置，不需要上拉電阻。該拓撲在光耦合器內部完成輸出反轉。

考慮到 SPI 接口旨在實現快速數據傳輸，因此隔離系統支持 20Mbps 或 10MHz 頻率來滿足行業速度要求至關重要。一種常見的誤解是 SPI 接口的數據速度受隔離器速度限制，而實際上是傳播延遲限制了速度。時鐘到數據路徑的往返延遲將限制接口的最大速度。

圖 1-3 所示為通過隔離器的 SCLK 信號與 MISO 響應和接回數據的關系。在圖中，來自 SOC 的藍色時鐘信號被 MCU 上的隔離器傳播延遲所延遲。當 MCU 響應并將數據發送回 SOC 時，接收到的數據會通過隔離器經歷第二次延遲。因此，初始時鐘沿與接收數據之間的總延遲約為隔離器傳播延遲的兩倍：2 × t_PROP < ? t_SCLK。

為了滿足 10MHz 的要求，需要滿足最大為 25ns 的傳輸延遲。光耦合器通常需要 350Ω 的較小 R_L 才能滿足快速時序規格，并且通常將 SPI 時鐘速率限制在 7MHz，而不考慮額外的裕量。較小的 R_L 會導致光耦合器輸出消耗更多的功率。市場上有各種光耦合器解決方案，但是在高功耗和更嚴格的時序之間要進行充分權衡。

圖 1-2 展示了如何僅用一個 ISO6741 器件，而不是使用兩個帶有附加無源器件的高速光耦合器來隔離 SPI。光耦合器電路板尺寸為 12mm × 21.5mm，而 ISO6741 數字隔離器的尺寸僅為 16mm × 12mm。ISO6741 具有 CMOS 輸入和推挽輸出，因此無需數據路徑中的所有無源器件。表 1-2 還對功耗進行了比較。對于更復雜的數字接口解決方案（如 SPI）而言，選擇具有可靠時序規格的隔離器來滿足快速數據速率要求，同時保持較低的功耗十分關鍵。

I2C

內部集成電路 (I2C) 接口是一種兩線制串行接口，可高效地將多個器件連接在同一總線上。I2C 總線由兩條線路組成：一條雙向串行數據線路 (SDA) 和一條串行時鐘線路 (SCL)，這兩條線路可以是單向的，也可以是雙向的，具體取決于設計。總線線路的輸出結構為集電極開路，以為總線共享提供便利。I2C 雙向通道為隔離帶來了獨特的挑戰。隔離通道必須支持雙向數據傳輸，并且電路必須確保它在由發送器驅動時不會驅動自己的線路。

過去，隔離 I2C 是通過用于控制線路上數據方向的光耦合器和分立式邏輯來實現的。為了避免總線故障和雙向線路上的任何閂鎖現象，需要使用分立式元件。如果沒有分立式元件，則設計就有可能在線路上存在以下風險：左側將信號線驅動到右邊的低電平，然后右側將信號驅動到左邊的低電平。這將產生閂鎖條件，在這種情況下，雙向線路將不會釋放從而返回高電平。圖 1-4 所示為一個使用光耦合器的 I2C 隔離電路，其速率可達 400kbps。為簡單起見，此 I2C 圖顯示了“主-輔”實現，其中 SCL 僅為單向信號。需要兩個光耦合器器件：一個用于發送 SCL 和 SDA，另一個用于接收 SDA。

除了 I2C 接口所需的上拉電阻外，該電路還需要晶體管 Q1 和 Q2 以及二極管 D1 和 D2，從而產生集電極開路輸出并避免雙向線路上發生總線爭用。330Ω 的上拉電阻值可用于為光耦合器輸入提供更高的輸入電流，從而使所需的開通時間達到要求。

更現代的數字隔離器設計將外部元件進行了集成，從而提供更小、更簡單的解決方案。圖 1-5 所示為使用光耦合器的解決方案與 TI 具有單向時鐘和雙向數據的單芯片 ISO1641 的布局對比。ISO1641 集成了防止 SDA 同時由隔離器兩側驅動所需的內部電路。ISO1640 和 ISO1641 在 SDA 和 SCL 線路上集成了內部電路，從而在設計需要時，在 SCL 線路上通過雙向控制來實現 I2C 時鐘延長。該解決方案非常簡單，因為所具有的 SDA 和 SCL 是隔離邊界任一側的唯一的單個雙向數據引腳。此外，輸入經過緩沖，降低了解決方案的電流消耗，并消除了對 LED 限流電阻器的需求。與光耦合器解決方案相比，ISO1640 和 ISO1641 顯著降低了電路的尺寸和復雜性。

雖然現有的基于光耦合器的設計可能需要多達 16 個分立式元件，但 TI 的 I2C 隔離器解決方案可在很小的封裝內使用多達 6 個元件，同時簡化了信號路由。需要與單個 ISO1640 和 ISO1641 一同使用的分立式元件僅包括用于集電極開路 I2C 總線線路的上拉電阻器，以及用于數字隔離器電源引腳的去耦電容器。通過將此元件數量減少到具有少量無源器件的單個數字隔離器，可使設計節省多達三倍的電路板空間。如 圖 1-5 所示，光耦合器電路的尺寸為 22mm × 15.5mm，而 ISO1641 隔離器的尺寸僅為 15mm × 8mm。

I2C 接口成為了一種具有吸引力的設計要素的主要原因在于其尺寸小且簡單（僅需兩條線）。基于光耦合器的隔離式 I2C 解決方案需要分立式元件，其復雜性使得使用該接口的價值大打折扣。通過使用 ISO1640 和 ISO1641 等數字隔離器解決方案，設計人員可以在隔離式解決方案中再現 I2C 接口的緊湊價值。