荣湃半导体| 一文带你理解隔离通信电路的数字隔离器默认电平选型

　　随着工业控制自动化、智能化进程的不断深入，工控设备、智能终端等装置在低负载或待机状态下的功率消耗日益受到行业关注，并逐渐成为衡量产品能效水平与技术先进性的重要指标之一。在“双碳”目标及绿色制造理念的推动下，降低待机功耗不仅有助于企业节约运营成本，也是响应节能环保政策、提升产品市场竞争力的关键举措。未来，随着能效标准的日趋严格和用户对可持续性要求的提高，低待机功耗设计将成为工控与智能终端领域的重要发展趋势之一。

　　为了避免数字隔离器在输入侧供电丢失时、另一侧的输出端口输出电压不确定导致通讯电路异常，数字隔离器都设计了默认电平功能，可以根据型号选定为高电平或者低电平。一般来说，当数字隔离器的输入端口电压和默认电平吻合时，数字隔离器的电流消耗最低;若输入电平和默认电平相反，数字隔离器的电流消耗就会增加。数字隔离器作为必要的通讯隔离器件，在设备待机时也必须工作、准备传输数据，必然会消耗一部分功率。通过适当的选型和增加部分外围电路器件，可以显著降低数字隔离器在通讯电路处于空闲状态时的电流消耗。本文将从UART、CAN、SPI、RS-485这几种常见的通讯协议入手，解析数字隔离器默认电平的选型方法。

　　图 1 隔离式 UART 通讯电路示意图

　　UART协议中规定：UART数据帧的起始位总是1位的逻辑0(即低电平)，而数据帧的结束位则是1~2个位的逻辑1(高电平)。所以，物理层的发送-接收信号线在非传输状态时需要保持为高电平，直到有信号需要传输时才切换为低电平。为了满足UART空闲时需要保持为高电平这一特性，使用数字隔离器直接隔离UART物理层的逻辑信号时，需要采用默认电平为高电平的芯片。建议选用Pai122M41-SR。

　　图 2 隔离式 CAN 通讯电路示意图

　　在ISO11898标准中，规定了CAN总线差分电压小于0.5V时，总线处于隐性状态;当隐性状态持续超过11位的时间长度之后，总线即为空闲。通过查阅CAN收发器的真值表可知，常见的CAN收发器，在CANH、CANL引脚均处于隐性时，TXD、RXD的电位都是高电平。在隔离式CAN通讯电路中，数字隔离器处在MCU和CAN收发器之间，所以数字隔离器的输出默认电平应和CAN收发器保持一致。所以在隔离CAN通讯电路中应选用默认电平为高电平的数字隔离器，建议使用Pai122M61-W5R。

　　图 3 隔离式 SPI 通讯电路示意图

　　SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)协议则更为复杂。在SPI中，决定SCK时钟信号线物理层工作方式的是时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)两个参数。CPOL参数设置为0时，时钟信号低电平为空闲状态;反之空闲状态则为高电平。CPHA参数设置为0时，在时钟信号第一个边沿采样;反之则在第二个边沿采样。这两个参数均可以被设置为0或1，所以SPI协议可以定义出四种不同的通讯模式。同时，SPI的片选(CS，Chip select)信号通常为低电平有效。可以通过下面这个表格来确定如何选择合适的数字隔离器。

　　图 4 隔离式 RS-485 通讯电路示意图

　　半双工模式的RS-485通信中，总线上的每个节点都需要单独控制自己节点RS-485收发器的使能端口(接收使能RE和发送使能DE)才能正确收发数据。

　　通常来说，当某一节点处于空闲、不需要向外发送数据时，必须将RS-485收发器A、B总线引脚置为高阻态(即进入总线侦听模式)，避免抢占总线、干扰其他节点通信;同时，当总线处于隐性、空闲时，RS-485收发器的RXD输出信号为高电平，用于指示MCU当前总线处于空闲状态;RS-485收发器的TXD输入信号脚内部一般为上拉、默认电平为高。

　　根据以上特性，在理想的情况下，用于控制RS-485收发器RE、DE引脚的信号应为默认低电平;但是用于发送、接收数据的信号应为默认高电平。如果选用默认低电平的隔离器，会导致有两个通道在通信电路空闲时也处于工作状态，增加了电路的电流消耗;若选用默认高电平的隔离器，当VMCU不上电、但是V485上电时，使能信号为高电平、485收发器会占用总线，影响总线其他节点正常收发数据，存在冲突。只需要在数字隔离器输出端口到RS-485收发器使能端口之间增加一个电位反相电路，就可以解决默认电平冲突问题。

　　和图5所示的传统隔离RS-485通讯电路相比，图6所示的新电路在RE、DE控制信号线上增加了一级由上拉电阻和下拉三极管组成的反相器。当VMCU不供电、V485供电时，Pai131S71R的VOA输出为高电平，此时三极管导通、RE、DE引脚被下拉至低电平，A、B输出为高阻态;同时，VIC、VOB均为高电平，与Pai131S71R的默认电平相同。反相器电路的上拉电阻可以根据实际通讯的速率继续调大阻值、降低电流消耗。

　　不同的通讯协议需要的默认电平不同，有些需要高电平、有些需要低电平。和光耦相比，数字隔离器具有高速率、低延时、低静态功耗的特点。虽然数字隔离器的默认电平相对固定，但是通过选择合适的型号、增加一些外围电路，同样可以显著降低隔离通讯电路的静态功耗，降低设备的待机电流，助力工控行业绿色化发展。