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光耦带宽瓶颈下,如何实现工业环境下千兆高带宽链路的安全性?

供稿:中国工控网 2020/5/26 17:02:29
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在这个自动化、数字化和工业4.0的时代,信号和数据的传输正在发挥着越来越大的作用。生产车间内外的这些应用中的机器、系统甚至个别传感器的联网,不仅需要稳定的基础设施,还需要安全、快速、高精度、无干扰、高带宽的传输路径。根据应用情况,传输路径可能需要承受极端恶劣的环境条件。

为高速链路接口添加隔离可以改善在这些恶劣环境下工作的性能,但这一直以来都不是一项简单的工作。数据速率高于250 Mbps 时,就已超过光耦合器和大部分数字隔离器的容量范围,迫使系统设计人员采用更为复杂的技术,例如光纤。ADI公司专利的 iCoupler®技术可以在数据速率超过 1 Gbps 下隔离低压差分信号(LVDS)物理层,不失是一种颇具性价比的选择,可以以此降低同时需要隔离和高带宽的系统的复杂性。

 

如何实现高速信号的隔离?这是个问题

LVDS是一种在更高性能转换器和高带宽FPGA或ASICI/O中常用的高速接口。差分信号传输对于外部电磁干扰(EMI)具有很强的抑制能力(因为反相与同相信号之间的互相耦合所致),同时也相应地可以将任何因为LVDS信号传输所造成的EMI最小化。如下图右侧所示,显示了LVDS信号电平与RS-485和M-LVDS的比较。LVDS驱动器提供一个电流输出,当通过100Ω端接电阻连接时,就会在接收器输入端产生一个差分电压,其典型值为350 mV,共模范围是0到2.4 V。在LVDS接口上增加隔离是一种透明解决方案,可以将其插入高速和精密测量以及控制应用的现有信号链当中。

                                               

ADI 深度稿件图1 - 光耦带宽瓶颈下,如何实现工业环境下千兆高带宽链路的安全性?.jpg

 

光耦合器历来是隔离信号的最常见选择,但由于速度太慢,通常只能提供最高25 Mbps的数据速率,所以它不适合隔离高速信号;分立的变压器和电容可以隔离高速信号,但是需要针对特定应用的设计和测试来解决其对信号完整性的不利影响,这种方法在支持的数据速率范围上也有局限性,通常还需要AC平衡编码,而且成本较高或影响PCB面积;光纤技术非常适合隔离高速信号,如今已广泛使用,可以支持数十或数百Gbps的速率和非常长的距离,不过对于短距离上1到10 Gbps的数据速率,考虑到现代协议和信号,光纤有点大材小用。另外,使用光纤不仅会影响系统成本,而且还会影响产品的尺寸,因为需要容纳较大物理连接器以及接口电路。

隔离高速数据的方案是将其数字化。作为数字隔离领域的全球领导者,ADI专有的iCoupler数字隔离器技术基于芯片级变压器,支持更高的数据速率,功耗更低,性能更加稳定。通过使用晶圆级工艺直接在片内制造变压器,iCoupler数字隔离通道能以较低成本相互集成以及与其它半导体功能集成在一起。当前增强的iCoupler差分编码是在原可实现超过1 Gbps的极高数据速率,同时由于信号的差分特性而具有抗噪性。类似地,由于差分信号的平衡特性,即使在高频下,电磁干扰也很低。

ADI 深度稿件图2 - 光耦带宽瓶颈下,如何实现工业环境下千兆高带宽链路的安全性?.jpg

  

业界首款采用增强iCoupler技术的千兆数字隔离器

市场上已经有各种各样用于实现隔离LVDS接口的产品。ADI公司的隔离LVDS系列是非常有效且可靠的解决方案,包括DN4654/ADN4655/ADN4656,能够以低抖动在高达 1.1 Gbps 的数据速率下运行, 同时也符合非隔离LVDS接口的标准值。相比之下,标准数字隔离器只能达到150 Mbps。由于采用i Coupler®技术,尽管存在隔离,该系列仍能实现非常高的数据速率,可以为符合 TIA/EIA-644-A 标准的 LVDS 驱动器和接收器提供电气隔离。

ADN4654/ADN4655/ADN4656 包含多种通道配置,ADN4655 和 ADN4656 上的 LVDS 接收器包含一个故障安全机制,可在输入悬空、短路或端接但未驱动时确保相应的 LVDS 驱动器输出为逻辑 1。 

对于低抖动条件下的高速运行,LVDS 和隔离器电路依赖于 2.5 V 电源。集成的片内低压差 (LDO) 稳压器可以通过外部 3.3 V 电源提供所需的 2.5 V 电压。这些器件完全适合在广泛的工业温度范围内使用,采用具有 5 kV rms 隔离的 20 引脚宽体 SOIC_W 封装,或采用具有 3.75 kV rms 隔离的 20 引脚 SSOP 封装。

 

ADI 深度稿件图3 - 光耦带宽瓶颈下,如何实现工业环境下千兆高带宽链路的安全性?.jpg

 

ADI公司针对HDMI的数字隔离解决方案就采用了ADN4654,这是一款完全隔离的HDMI视频解决方案,其可靠性和鲁棒性已经得到了工业市场的广泛认可。在该解决方案中,ADN4654使用耦合网络让CML和LVDS来回转换,可用于隔离HDMI使用的TMDS数据和时钟信号。1.1 Gbps的数据速率可以在此隔离链路上实现720p分辨率。其他支持更高分辨率的替代方案包括使用并行LVDS通道的隔离协议,或使用多个隔离器的FPGA SERDES。上图为基于 iCoupler® 的隔离 HDMI 系统,核心器件为 1.1Gbps 的隔离 LVDS 收发器 ADN4654,结合隔离 I2C 和 isoPower实现了 720P 的隔离 HDMI 视频隔离传输。

 

这一完整的解决方案将ADI的iCoupler技术的安全性和稳健性注入HDMI。下图显示的是一个HDMI视频源,它被分成两个相同的HDMI通道,其中一条通道完全隔离,隔离通道和非隔离通道之间没有任何质量损失,经验证,隔离显示屏上的视频质量没有质量损失。这款采用ADN4654的数字隔离解决方案实现了720P的隔离HDMI视频隔离传输,其典型应用为工业可视界面,仪器仪表和内窥镜。

 

ADI 深度稿件图4 - 光耦带宽瓶颈下,如何实现工业环境下千兆高带宽链路的安全性?.jpg

  

总结

一些需要高带宽隔离的关键应用包括交流电机驱动器和机器人的电机控制、台式和现场设备的仪器仪表、工业数据采集,以及印刷机和切割机等。为了在恶劣环境下保护模拟前端或外部工业背板/通信端口以便提高自动化程度,需要进行鲁棒性增强隔离。然而,今天的转换器和ASIC高速串行接口难以在足够的带宽下实现隔离以便实现精密测量和控制。利用iCoupler® LVDS直接数字隔离器实现隔离,无需进行任何解串或额外的设计工作和信号调理,实现完美的工业数据和信号的安全传输系统设计。

审核编辑(朱密君)
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