Высокий рейтинг: новый изолятор 600 В RS-232 от Maxim

21 марта

телекоммуникациисистемы безопасноститерминалы продажучёт ресурсовавтоматизацияMaxim Integratedстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Ключевое требование к современным промышленным системам – наличие надежного интерфейса передачи данных. Одним из наиболее известных интерфейсов является RS-232. Однако для обеспечения по-настоящему надежного канала передачи данных шина RS-232 также должна включать в себя дополнительную гальваническую развязку. Новые изоляторы MAX3325Xe производства Maxim Integrated упрощают процесс создания такой развязки.

Стандарт RS-232 был предложен в 1962 году американской Ассоциацией электронной промышленности (EIA) и до сих пор, несмотря на слухи о скорой кончине, находит широкое применение для связи через кабели небольшой длины (до 20 м) в промышленности и телекоммуникационном оборудовании.

Однако для корректного применения данного интерфейса в современных промышленных системах, работающих в жестких условиях, порт RS-232 должен обеспечивать должную степень изоляции между кабельной структурой и подключенными к ней системами. Такого рода изоляция дает защиту от скачков напряжения в средах с высоким уровнем шумов и  от возникновения разницы потенциалов между землями соединенных устройств, обусловленной током в контуре заземления, например, током замыкания на землю, а также повышает надежность системы в целом (рисунок 1).

Рис. 1. Изолированный интерфейс RS-232

Рис. 1. Изолированный интерфейс RS-232

Как показано на рисунке 1, изоляционный барьер обеспечивает гальваническую развязку шины RS-232 от каждой подключенной к ней системы, что позволяет передавать цифровые данные между двумя точками и одновременно предотвращать протекание паразитных токов из-за возможной разности потенциалов земли соединенных устройств. При использовании гальванической развязки устраняется влияние шума и коротких и сильных помех, проникающих в RS-232-кабель, и, как следствие, уменьшаются искажения сигнала. Кроме того, применение изоляции предотвращает возникновение в цепи заземления паразитных токов, которые могут возникать из-за разности потенциалов земли у приемника и передатчика. И, наконец, изоляционный барьер не пропускает высокие синфазные напряжения, которые могут возникать на шине RS-232.

Для реализации изолированного интерфейса RS-232 устройства на обоих концах канала передачи данных должны быть изолированы от соединяющего их кабеля, причем для полной гальванической развязки канала необходимо обеспечить гальваническую развязку как сигнальных линий, так и напряжений питания.

Гальваническая развязка в канале связи RS-232 может быть реализована классическим методом – при помощи оптронов, однако такой метод имеет ряд недостатков: низкое быстродействие и высокое потребление. Другой вариант ее реализации – посредством ИС цифровых изоляторов. Цифровые изоляторы используют емкостную или индуктивную связь для передачи сигналов, но и в том, и другом случае сигналы необходимо модулировать на стороне передатчика и демодулировать на стороне приемника (рисунок 2), что на практике является нетривиальной задачей. На данный момент на рынке присутствуют всего несколько производителей, которые смогли успешно решить все проблемы и наладить крупномасштабный серийный выпуск надежных микросхем. Одним из них является компания Maxim Integrated. Изоляторы Maxim включают в себя семейства с различной конфигурацией для применения в самых разных областях, в том числе и для изоляции RS-232.

Рис. 2. Функциональная схема цифрового изолятора

Рис. 2. Функциональная схема цифрового изолятора

Новые изоляторы MAX33250E и MAX33251E

Недавно компания Maxim Integrated представила новые драйверы RS-232 MAX33250E и MAX33251E со встроенной гальванической изоляцией (рисунок 3).

Рис. 3. Структурная схема изолятора MAX33250E

Рис. 3. Структурная схема изолятора MAX33250E

Встроенный гальванический барьер между стороной логического UART и стороной «поля» на данных драйверах существенно повышает уровень защиты при возникновении синфазной помехи на полевой стороне и предотвращает образование паразитных контуров тока из-за разности потенциалов земли. Развязка способна выдерживать напряжение величиной до 600 В (RMS) в течение 60 с или до 200 В (RMS) более 50 лет.

MAX33250E имеет на борту два передатчика и два приемника (2Tx/2Rx), а MAX33251E – по одному Tx и Rx. Оба драйвера соответствуют стандарту EIA/TIA-232E и работают со скоростью передачи данных до 1 Мбит/с. Более подробные характеристики изоляторов отображены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики изоляторов MAX33250E и MAX33251E

Характеристика MAX33250E MAX33251E
Количество передатчиков 2 1
Количество приемников 2 1
Максимальная скорость передачи данных, Мбит/с 1
Напряжение питания, В 3В…5,5
Защита ESD, кВ 15
Максимальное значение потребляемого тока, мА 24
Особенности 600 В (RMS) в течение 60 с, встроенные конденсаторы для схемы подкачки питания
Рассеиваемая мощность, мВт 510
Корпус LGA 6х6 мм
Рабочая температура, °C -40…85

Одной из особенностей данных изоляторов является наличие на борту встроенного инвертора и так называемого «зарядового насоса» (charge pump) с двойной зарядкой, использующего конденсаторы в качестве накопителей заряда для повышающего преобразования, что устраняет необходимость подачи дополнительного положительного и отрицательного напряжений, а также экономит до 63% места на печатной плате по сравнению дискретным решением. Контакты питания VCCA и VCCB на стороне UART работают от напряжения питания +3…+5,5 В, что в свою очередь упрощает требования к питанию подключаемой периферии и конечного решения в целом. Источники VCCA и VCCB контролируются изнутри на предмет пониженного напряжения. Снижение уровня напряжения может возникать при включении питания или его отключении, а также во время нормальной работы из-за провала в одной из линий электропитания. При обнаружении снижения уровня напряжения на любом из источников все выходы с обеих сторон автоматически переходят в состояние, согласно таблице 2 вне зависимости от состояния входов.

Таблица 2. Таблица истинности выходного контроля

Входы VCCA VCCB RxOUT TxOUT
RxIN = 1 Недостаточное напряжение Работает Высокий
RxIN = 0 Недостаточное напряжение Работает Следует VCCA
TxIN = 1 Недостаточное напряжение Работает Низкий
TxIN = 0 Недостаточное напряжение Работает Низкий
RxIN = 1 Работает Недостаточное напряжение Высокий
RxIN = 0 Работает Недостаточное напряжение Высокий
TxIN = 1 Работает Недостаточное напряжение Низкий
TxIN = 0 Работает Недостаточное напряжение Низкий

Передатчики и приемники на вторичной стороне MAX33250E и MAX33251E обладают защитой от электростатического разряда (ESD) величиной ±15 кВ, согласно модели человеческого тела (HBM), что отвечает требованиям стандарта IEC 1000-4-2 и делает данные изоляторы прекрасным решением в областях, где часто используются кабели RS-232.

Еще одной особенностью данных изоляторов является их корпус LGA. Отличие LGA от BGA состоит в том, что в BGA ко дну модуля крепятся шарики из припоя (рисунок 4б) и модуль помещается на печатную плату с рисунком контактных площадок, после чего происходит пайка оплавлением и фиксация модуля на печатной плате. Крепление шариков к модулю требует высочайшей точности, чтобы шарики на обеих поверхностях совпали. При монтаже по технологии LGA (рисунок 4а) вместо шариков используются плоские контактные площадки из позолоченного никеля (NiAu). Такие площадки имеются как на модуле, так и на печатной плате и располагаются точно друг напротив друга. Результатом является плоское, но широкое паяное соединение.

Рис. 4. Пример контактных площадок: а) технология LGA; б) технология BGA

Рис. 4. Пример контактных площадок: а) технология LGA; б) технология BGA

Золоченые никелевые контактные площадки LGA более устойчивы к поверхностной коррозии, что повышает срок службы таких компонентов. Долговечность же компонентов, выполненных по технологии BGA, потенциально ограничена за счет поверхностной коррозии. Кроме того, разброс высоты шариков припоя из-за сложности технологии их нанесения может составлять до 50% (рисунок 5), что уменьшает копланарность (равномерность зазора или целостность плоскости между модулем и печатной платой) и способствует короблению, а оба этих фактора отрицательно сказываются на долговечности и целостности платы.

Рис. 5. Разброс высоты шариков припоя при технологии BGA

Рис. 5. Разброс высоты шариков припоя при технологии BGA

Не так давно компания Siemens проводила исследование технологий BGA и LGA. Специалисты оценили и измерили ряд характеристик и параметров поверхностного монтажа, в том числе температурные циклы, технологический процесс оплавления (тепловой обработки), смачивание (способность припоя смачивать поверхность или поддерживать контакт), количество припоя, копланарность и прочее. Результаты испытаний электрических характеристик демонстрируют, что поверхностный монтаж по технологии LGA с плоскими контактными площадками – наиболее надежная и гибкая технология. Результаты электрических испытаний LGA были оптимальными во всех вариантах, кроме одного, и дали 100% выход качественной продукции (рисунок 6). В случае BGA этот процесс был меньше и варьировался от 93 до 97%. Такой результат был связан с недостаточной копланарностью, а также с наличием остатков флюса (катализатора, содержащегося в паяльной пасте).

Рис. 6. Результаты электрических испытаний технологии LGA

Рис. 6. Результаты электрических испытаний технологии LGA

Корпус LGA изоляторов MAX33250E и MAX33251E содержит 12 выводов и имеет габаритные размеры 6×6 мм (рисунок 7). Эти изоляторы способны работать при температуре -40…85ºC.

Рис. 7. Корпус LGA изоляторов MAX33250E и MAX33251E

Рис. 7. Корпус LGA изоляторов MAX33250E и MAX33251E

За счет выдающихся характеристик изоляторы MAX33250E и MAX33251E находят применение в самых разнообразных областях, таких как:

  • промышленные приложения, которые в настоящее время используют дискретный изолятор (оптопара или цифровой изолятор) и дискретный приемопередатчик RS-232;
  • приложения RS-232, где контуры заземления являются проблемой;
  • системы связи;
  • диагностическое оборудование;
  • GPS-оборудование;
  • промышленное оборудование;
  • медицинское оборудование;
  • POS-системы.

Ближайшим аналогом изоляторов MAX33250E и MAX33251E является ADM3252E – изолированный двухканальный приемопередатчик RS-232 производства компании Analog Devices.

ADM3252E (рисунок 8) совмещает в себе стандартный приемопередатчик RS-232 с четырьмя каналами изоляции. Благодаря интеграции в рамках приемопередатчика RS-232 технологий гальванической развязки iCoupler и Power (фирменных технологий Analog Devices), ADM3252E обеспечивает полностью изолированный интерфейс RS-232, выдерживающий напряжение до 2,5 кВ (RMS) и выпускаемый в корпусе 12×12 мм, однако для его работы требуются дополнительно шесть внешних конденсаторов.

Рис. 8. Структурная схема изолятора ADM3252E

Рис. 8. Структурная схема изолятора ADM3252E

Сравнение изоляторов от Maxim Integrated и Analog Devices приведено в таблице 3.

Таблица 3. Сравнение изоляторов MAX33250E/MAX33251E и ADM3252

Основные характеристики и особенности MAX33250E/MAX33251E ADM3252
Напряжение питания, В 3…5,5 3…5,5
Напряжение изоляции, В (RMS) 600 2500
Интегрированный источник питания Нет Да
Интегрированные конденсаторы Да Нет
Защита ESD, кВ ±15 ±15
Скорость передачи данных 1 Мбит/с 460 кбит/с
Корпус LGA 6×6 мм BGA 12×10 мм
ЭМИ-защита Низкая Высокая
Рассеиваемая мощность, мВт 510 750

Несмотря на то, что ADM3252 имеет ряд преимуществ, например, более высокий уровень изоляции и интегрированный источник питания, изоляции 600 В у MAX33250E/MAX33251E вполне достаточно, чтобы покрыть потребности RS-232-решений. Что же касается изолированного источника питания, его реализация внутри корпуса создает дополнительные источники шума и увеличивает рассеивание тепла, так что можно сказать, что изоляторы Maxim обеспечивают более гибкую в этом отношении конструкцию для использования существующих изолированных источников питания или внедрения собственных с целью оптимизации размеров и эффективности.

По оставшимся параметрам изоляторы MAX33250E и MAX33251E имеют явное преимущество: двукратное превосходство в скорости передачи, экономия до 30% площади печатной платы за счет использования LGA, меньшая рассеиваемая мощность и так далее.

Отладочная плата

Компания Maxim Integrated выпустила отладочную плату MAX33250E Shield (рисунок 9), которую можно использовать в качестве референс-дизайна для отладки и создания прототипных решений на базе изолятора MAX33250E.

Рис. 9. Внешний вид MAX33250E Shield

Рис. 9. Внешний вид MAX33250E Shield

К ключевым особенностям данного модуля стоит отнести:

  • одностороннее питание;
  • изолированный источник питания на плате;
  • поддержку Arduino/Mbed Shield;
  • встроенный разъем DB9.

Отладочная плата MAX33250E Shield имеет на борту встроенный DB9-разьем, DCE/DTE-распиновка которого выбирается переключателем SW1. В качестве преобразователя уровня напряжения на плате используется цифровой изолятор MAX14850 с диапазоном питания 3…5,5 В.

MAX33250E Shield может запитываться как от внешнего источника питания, так и от совместимой платформы Arduino/Mbed. В документации на модуль подробно описан порядок использования перемычек для выбора соответствующего источника питания для VCCA и VCCB. MAX33250E Shield имеет встроенный изолированный источник питания, который генерирует напряжение питания для VCCB. Если отладочная плата подключена к платформе Arduino/Mbed, вход изолированного источника питания необходимо подключить к выходу 5 В платформы Arduino/Mbed.

Заключение

Современные компоненты, используемые для создания решений на базе интерфейса RS-232 в промышленном и телекоммуникационном оборудовании должны отличаться малыми габаритами, повышенной устойчивостью, невысокой стоимостью, а также предпочтительно иметь на борту встроенную гальваническую развязку. Микросхемы MAX33250E и MAX33251E производства Maxim Intergrated полностью соответствуют данным требованиям и позволяют просто, быстро и с минимальными затратами реализовать изолированный RS-232 с высоким уровнем защиты и минимумом внешних компонентов.

Литература

  1. Understanding the Safety Certification of Digital Isolators;
  2. MAX33250E/ MAX33251E 600V Isolated 2Tx/2Rx and 1Tx/1Rx RS-232 Transceiver with ±15kV ESD and Integrated Capacitors;
  3. MAX33250E Shield;
  4. Рональд Робл. Технология поверхностного монтажа для M2M-решений. Беспроводные компоненты, № 3/2009;
  5. Дэвид Кракауэр. Анатомия цифровых изоляторов. РадиоЛоцман, № 3/2012.
•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее

Товары
Наименование
MAX33250EELC (MAX)
MAX33250EELC+ (MAX)
MAX33250EELC+T (MAX)
MAX33250ESHLD# (MAX)
MAX13223EEUP+T (MAX)
MAX13223EEUP (MAX)
MAX13223EEUP+ (MAX)
MAX13234EETP (MAX)
MAX13234EEUP (MAX)
MAX13234EIUP+ (MAX)
MAX13234EETP+ (MAX)
MAX13235EEUP+ (MAX)
MAX13235EETP-T (MAX)
MAX13235EEUP-T (MAX)
MAX13235EETP (MAX)
MAX13237EETE (MAX)
MAX13237EETE+ (MAX)
MAX13237EETE+T (MAX)
MAX13237EETE-T (MAX)
MAX3250EAI+ (MAX)