很多情況下，額外通信不需要高速，因此設(shè)計(jì)人員便從認(rèn)證器件列表上選用幾個(gè)光耦合器，而不再使用SPI所需的高速數(shù)字隔離器。但是，光耦合器不如數(shù)字隔離器那么容易設(shè)計(jì)，尤其是簡(jiǎn)單的低速光耦合器。設(shè)計(jì)師也許需要上一堂“光耦合器電流傳輸比(CTR)如何隨時(shí)間和溫度變化而變，以及它如何影響應(yīng)用速度”的速成課。如果多個(gè)方向需要額外的通信，那么就需要使用多個(gè)封裝，因?yàn)槿绻怦詈掀魇且粋€(gè)多通道器件，則其通道就必須沿同一個(gè)方向傳輸數(shù)據(jù)。隨著設(shè)計(jì)的逐步展開(kāi)，尺寸、成本和時(shí)間投入便會(huì)快速增加。

 

 

使用四通道高速數(shù)字或光學(xué)隔離可輕松隔離SPI總線。四通道數(shù)字隔離器能以緊湊的尺寸實(shí)現(xiàn)隔離，且通常支持5 MHz至10 MHz SPI時(shí)鐘速率。無(wú)論基于集成式微變壓器、電容或光耦合器，都需要跨越隔離柵傳輸信號(hào)。在電流隔離技術(shù)中，有兩種主要的編碼方案可以耦合輸入信號(hào)：邊沿編碼和電平編碼。電平編碼方案允許采用傳播延遲較低的隔離器，并且一般而言空閑時(shí)的功耗更高，時(shí)序性能(抖動(dòng)和PWM)較差。另一方面，邊沿編碼方案功耗較低，且時(shí)序性能較好。然而，很多基于邊沿的部署具有較長(zhǎng)的傳播延遲，從而限制了SPI總線的時(shí)鐘速度。我們將探索消除這種限制以及實(shí)現(xiàn)極高性能SPI總線隔離的技巧。

 

在邊沿編碼方案中，輸入數(shù)字轉(zhuǎn)換跨越隔離柵進(jìn)行編碼。然后，通過(guò)解碼這些轉(zhuǎn)換信號(hào)，在輸出端再現(xiàn)數(shù)字輸入。圖1中的示例波形(A類(lèi))顯示如何對(duì)輸入邊沿進(jìn)行差分編碼。上升和下降輸入轉(zhuǎn)換分別編碼為窄正脈沖和負(fù)脈沖。

 

只要數(shù)字輸入正在切換，信號(hào)就會(huì)正常傳輸，但如果發(fā)生輸入至輸出直流電平失配，則失配會(huì)一直存在，除非對(duì)其進(jìn)行校正。這在數(shù)據(jù)通道空閑時(shí)上電最為明顯；無(wú)信號(hào)跨越隔離柵進(jìn)行輸入引腳直流狀態(tài)通信，且邊沿傳輸前啟動(dòng)狀態(tài)可能不匹配輸入數(shù)據(jù)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，邊沿編碼方案采用了某種形式的“刷新”電路，確保在輸出端進(jìn)行直流校正。在輸入靜止的預(yù)設(shè)時(shí)間(TREFRESH)之后，通過(guò)周期性跨越隔離柵傳輸最后一次轉(zhuǎn)換可實(shí)現(xiàn)刷新。圖1還顯示了示例邊沿編碼方案中的刷新(B類(lèi)波形)。

 

圖1. 跨越隔離柵的編碼波形示例。A類(lèi)和B類(lèi)分別為帶與不帶刷新信號(hào)的編碼波形。

 

在該波形上，哪怕輸入信號(hào)未在上升沿和下降沿之間轉(zhuǎn)換，多個(gè)編碼上升轉(zhuǎn)換也會(huì)跨越隔離柵傳輸，以便刷新接收器狀態(tài)并確保接收器處于高電平狀態(tài)。顯然，除了確保上電時(shí)具有正確的輸出狀態(tài)，刷新電路還有助于校正輸出狀態(tài)(若輸出遭破壞并與輸入狀態(tài)不同步)。由于編碼數(shù)據(jù)持續(xù)傳輸，該方案產(chǎn)生空閑功耗。由于在邊沿編碼方案中要求刷新，了解該方案固有的時(shí)序影響很重要。從圖1中的波形可知，輸入轉(zhuǎn)換和刷新信號(hào)均通過(guò)同樣的隔離通道傳輸，但時(shí)間獨(dú)立。輸入信號(hào)完全異步于內(nèi)部刷新生成電路，因而刷新上一次轉(zhuǎn)換傳輸?shù)耐瑫r(shí)可能發(fā)生輸入轉(zhuǎn)換。這可能會(huì)在接收器端損害時(shí)序，導(dǎo)致邏輯錯(cuò)誤。為了避免這種時(shí)序沖突錯(cuò)誤，會(huì)要求刷新電路的信號(hào)路徑增加一定的“預(yù)判”延遲。

 

該延遲可確保跨越隔離柵的編碼信號(hào)之間具有最小隔離，從而允許接收器明確解碼一切編碼傳輸序列。缺點(diǎn)是隨著速度的增加，這種延遲會(huì)大幅增加隔離器的傳播延遲，進(jìn)而限制滿足SPI時(shí)序要求的能力。

 

幸運(yùn)的是，這種限制是可以解決的。如果輸入轉(zhuǎn)換和刷新?tīng)顟B(tài)通過(guò)不同的隔離元件傳輸，并且隨后在輸出端匯合，則無(wú)需任何預(yù)判延遲，且伴隨著時(shí)序性能的下降。將此構(gòu)想擴(kuò)展至多通道隔離器，則所有通道的刷新?tīng)顟B(tài)可在單個(gè)隔離通道內(nèi)時(shí)間多路復(fù)用，然后解復(fù)用并與相應(yīng)輸出合并?；旧希斎霠顟B(tài)經(jīng)采樣、封裝后，以串行方式跨越隔離柵傳輸。接收器持續(xù)跟蹤輸入直流狀態(tài)，然后根據(jù)輸入保持非活動(dòng)的時(shí)間決定使用直流狀態(tài)或是最后一次輸入轉(zhuǎn)換來(lái)更新輸出。由于僅有一個(gè)額外的數(shù)字隔離器通道搭載全部刷新?tīng)顟B(tài)，因此可以釋放所有輸入通道的預(yù)判延遲，并使其僅搭載輸入開(kāi)關(guān)信息，從而大幅改善傳播延遲。圖2顯示了這一構(gòu)想。

 

圖2. 搭載輸入1和輸入2刷新時(shí)間多路復(fù)用的專(zhuān)用第三隔離通道功能框圖。

 

ADI SPIsolator?系列高速數(shù)字隔離器采用該方案實(shí)現(xiàn)SPI通道的極低傳播延遲，從而實(shí)現(xiàn)高達(dá)17 MHz的高帶寬隔離SPI總線部署。額外的隔離器通道搭載刷新信息，并通過(guò)將數(shù)據(jù)時(shí)間多路復(fù)用至跨越隔離柵來(lái)回傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包中，實(shí)現(xiàn)傳輸各種其他低吞吐率信號(hào)的額外用途。這樣可以實(shí)現(xiàn)除SPI串行數(shù)據(jù)位以外的其他通信，從而獲得功能多樣化且高度集成的隔離式SPI總線。

 

 

SPIsolator產(chǎn)品系列中的部分型號(hào)在多路復(fù)用刷新通道上集成三個(gè)250 kbps輔助數(shù)字通道。三個(gè)不同的產(chǎn)品型號(hào)允許針對(duì)這些輔助通道進(jìn)行多通道方向配置。哪怕輔助通道異步，它們也會(huì)在通過(guò)單隔離通道傳輸前進(jìn)行采樣和數(shù)據(jù)包封裝。這些輔助通道的傳播延遲變化量最高可達(dá)2.6 μs，具體取決于通道輸入何時(shí)根據(jù)內(nèi)部采樣時(shí)鐘切換。對(duì)異步輔助信號(hào)進(jìn)行采樣和串行化還能將其與內(nèi)部采樣時(shí)鐘同步。如果慢信號(hào)之間具有精確的時(shí)序很重要，那么這可能導(dǎo)致時(shí)序問(wèn)題，對(duì)于1.2 μs或更短時(shí)間窗口內(nèi)的精度而言更是如此。幸運(yùn)的是，典型SPI總線周?chē)鷥H有極少數(shù)輔助信號(hào)之間要求具備如此精確的時(shí)序關(guān)系。更為重要的是，該低速數(shù)據(jù)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)，可保留(多個(gè)異步通道的)邊沿階數(shù)——只要邊沿由至少一個(gè)最小偏斜隔離(VIXSKEW)。換言之，如果某個(gè)邊沿在輸入端超前另一個(gè)邊沿，則隔離器不會(huì)反轉(zhuǎn)階數(shù)。

 

 

圖3. 采用多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充功能的典型SPI應(yīng)用。

 

圖3是一個(gè)典型SPI應(yīng)用，該應(yīng)用要求1 MHz SCLK、四線式SPI以及三個(gè)用于中斷、電源良好和復(fù)位的額外信號(hào)。低速通道可能僅需40 μs傳播延遲。選擇這些參數(shù)，以便檢查所有元器件選項(xiàng)。時(shí)序處于所有主要類(lèi)型隔離器的能力范圍內(nèi)，因此可以獨(dú)立于性能之外比較解決方案尺寸與成本的集成效應(yīng)。以下提供部分實(shí)施選項(xiàng)：

 

1) 使用全部光耦合器

2) 針對(duì)慢信號(hào)通道的SPI和光耦合器使用數(shù)字隔離器

3) 使用全集成式數(shù)字隔離器，比如ADI SPIsolator

 

就原理圖而言，這些解決方案大致相似。然而，如果仔細(xì)看圖4的話，可以發(fā)現(xiàn)IC如何在PCB上布局。紅框大致框出了隔離元器件所需的范圍，以及允許放置無(wú)源器件的位置。

 

以混合速度光耦合器解決方案為基準(zhǔn)，很多設(shè)計(jì)人員會(huì)試圖將標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器與成本極低的光耦合器組合，并以為那就是性?xún)r(jià)比最高的低速信號(hào)采樣實(shí)現(xiàn)方法。解決方案之間很大一部分的差異是因?yàn)閿?shù)字隔離器允許在單個(gè)封裝內(nèi)混合通道方向，避免了大量的封裝開(kāi)銷(xiāo)?；旌霞夹g(shù)解決方案可能具有較高的性?xún)r(jià)比，但額外犧牲了設(shè)計(jì)時(shí)間，并產(chǎn)生穩(wěn)定性問(wèn)題。廉價(jià)的光耦合器速度很慢，且由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而需要細(xì)研究考量才能成功完成設(shè)計(jì)。必須非常仔細(xì)確保它們隨時(shí)間和溫度變化的穩(wěn)定性，同時(shí)盡可能降低功耗。

 

從光耦合器解決方案轉(zhuǎn)為完全集成式解決方案(比如ADI ADuM3152 SPIsolator的集成式解決方案內(nèi)置通道間速度差和脈沖階數(shù)反轉(zhuǎn)保護(hù)功能，無(wú)設(shè)計(jì)開(kāi)銷(xiāo)、無(wú)需占用額外的電路板空間。集成式解決方案的低速通道還支持遠(yuǎn)高于單個(gè)晶體管光耦合器的數(shù)據(jù)速率。集成式解決方案的成本遠(yuǎn)低于光耦合器解決方案的一半，并且相比分立式光耦合器每通道具有更低的低速通道成本。考慮到SPI性能，則ADuM3152數(shù)字隔離解決方案可支持高達(dá)17 MHz時(shí)鐘速率的SPI，因?yàn)槠鋫鞑パ舆t極短；而光耦合器的“快速”通道能以合理的成本在最高3 MHz頻率下工作。

 

圖4. 采用光耦合器實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充功能的典型SPI應(yīng)用。

 

 

在ADuM3154產(chǎn)品的變體中，250 kbps、低速、雙通道地址總線用來(lái)控制隔離式從機(jī)選擇地址線(SSx)，允許在最短2.6 μs時(shí)間內(nèi)改變目標(biāo)從機(jī)器件。圖6中的部署使用了通用隔離器和ADuM3154。圖5顯示了SSx如何跟隨地址位(SSAx)的改變而轉(zhuǎn)換。

 

ADuM3154使用2位地址總線將主機(jī)-從機(jī)選擇(MSS)路由至四個(gè)從機(jī)之一。這些地址總線位都是慢速信號(hào)，它們?cè)俅谓壎ㄋ膫€(gè)常用高速SPI通道的刷新?tīng)顟B(tài)。 就像刷新?tīng)顟B(tài)，地址位經(jīng)采樣、封包后，以串行方式跨越隔離柵傳輸。在從機(jī)側(cè)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行去串行處理，地址位用來(lái)解復(fù)用MSS。解復(fù)用器將在2.6 μs內(nèi)將MSS信號(hào)路由至所需從機(jī)，具體時(shí)間取決地址總線何時(shí)相對(duì)于內(nèi)部采樣時(shí)鐘進(jìn)行切換。地址位是總線的一部分，必須互相同步。采樣和串行化期間必須非常謹(jǐn)慎，以保證這些地址位在輸出側(cè)互相保持同步，尤其是從某個(gè)選定的從機(jī)轉(zhuǎn)換至另一個(gè)從機(jī)時(shí)。

 

圖5. 從機(jī)選擇地址位SSAx選擇四個(gè)從機(jī)之一(即SSx)。

 

 

一個(gè)常見(jiàn)的SPI設(shè)計(jì)要求是與共享同一個(gè)SPI總線的多個(gè)從機(jī)器件對(duì)話。這可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)。如果數(shù)據(jù)同時(shí)從所有次級(jí)端器件采樣而來(lái)，并且所有數(shù)據(jù)的每一幀都傳輸，則最簡(jiǎn)單的方法是采用菊花鏈將器件連接起來(lái)，并將整個(gè)鏈路上的所有器件信號(hào)通過(guò)單個(gè)隔離端口順序移出。但如果數(shù)據(jù)采集序列不固定，則每一個(gè)SPI從機(jī)都必須單獨(dú)尋址。這就為隔離式接口提出了特定的挑戰(zhàn)。

 

如果每一個(gè)從機(jī)都必須獨(dú)立尋址，則每個(gè)器件都必須有獨(dú)立的從機(jī)選擇線。很多情況下，從機(jī)選擇不僅選擇特定目標(biāo)用于SPI通信，還會(huì)發(fā)起ADC轉(zhuǎn)換(舉例而言)，因此該條線路還必須具有高度精確的時(shí)序性能。在很多部署中，這就要求提供額外的隔離通道，并具有與時(shí)鐘通道相當(dāng)?shù)乃俣?，以保留時(shí)序。一

款四通道隔離SPI設(shè)計(jì)如圖6所示；圖中，標(biāo)準(zhǔn)四通道高速隔離采用三個(gè)額外的高速隔離通道予以加強(qiáng)。

 

從機(jī)選擇的另一種方法如圖6右半部分所示。在次級(jí)端使用一個(gè)多路復(fù)用器，而較低速度的隔離選擇線可用來(lái)選擇目標(biāo)。必須謹(jǐn)慎切換多路復(fù)用控制線，以防它們?cè)跁r(shí)序略為失配時(shí)躍遷至不正確的中間狀態(tài)。該方案采用SPIsolator器件所提供的低速通道實(shí)現(xiàn)，并且由于應(yīng)用定義良好，因此可以?xún)?nèi)部構(gòu)建對(duì)于不確定狀態(tài)的保護(hù)，防止小的時(shí)序誤差造成瞬時(shí)輸出狀態(tài)。

 

圖6. 典型多從機(jī)SPI應(yīng)用。

 

在最終分析中，若無(wú)論何種技術(shù)都能達(dá)到性能要求，則最佳設(shè)計(jì)選擇便出于容易部署、尺寸和成本考慮。圖7顯示了三種可能的部署，從左到右依次是：使用7個(gè)隔離通道的簡(jiǎn)單光耦合器、使用數(shù)字隔離器的同一款方案、使用SPIsolator集成式多路復(fù)用器功能的方案。光耦合器解決方案尺寸最大，數(shù)字隔離器尺寸是前者的72%，而SPIsolator僅占PCB尺寸面積的36%。三個(gè)解決方案的成本對(duì)比也和面積類(lèi)似，SPIsolator方案的成本相比其他方案大幅降低。

 

圖7. 采用光耦合器實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充功能的典型SPI應(yīng)用。

 

 

設(shè)計(jì)高性能隔離式SPI解決方案時(shí)，SPIsolator產(chǎn)品系列可以通過(guò)多路復(fù)用控制通道來(lái)支持高速SPI，其傳播延遲極低，且輔助功能的集成度極高。該SPI通道組合包含補(bǔ)充功能，具有方便的高度集成式隔離SPI總線設(shè)計(jì)，同時(shí)縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，降低成本和電路板占位空間。