1-Wire總線在需要電氣隔離的醫(yī)療設備中傳感器和耗材的認證和校準中越來越受歡迎。本文以應用筆記4206“為嵌入式應用選擇合適的1-Wire主機”為基礎，介紹如何修改現有的1-Wire主機電路以實現電流隔離。除了經典的光隔離器外，近年來還開發(fā)了使用磁耦合和電容耦合的數字隔離器。本應用筆記介紹了這些技術和產品線，并識別和比較了適用于1-Wire主電路的隔離器。

介紹

當電力首次用于實際用途時，科學家們很快意識到安全對于成功利用這種形式的能源至關重要。最明顯的安全措施是遠離危險的電壓。如果無法避免這種情況，用戶必須將“火線”與其他對象隔離。隨著時間的推移，更復雜的安全措施不斷發(fā)展，其中最重要的是電氣隔離：一種隔離屏障，將電氣系統的功能部分分開，但允許能量和數據自由流動。在設備發(fā)生故障時，電氣隔離可保護用戶免受電氣危害，同時保護設備免受接地回路、環(huán)境中的電氣噪聲和靜電放電的影響。這對于醫(yī)療設備尤其重要，醫(yī)療設備必須符合 IEC 60601 技術標準，以保護患者、操作人員及其周圍環(huán)境1。由于其簡單性，1-Wire器件在醫(yī)療領域越來越受歡迎，可提供傳感器和耗材2的校準數據以及認證。?

典型1線主電路

構建1-Wire主機有多種方法。最適合隔離的是連接到微控制器或現場可編程門陣列（FPGA）的單向端口的電路，該端口用作主機處理器。附件可以像帶有上拉電阻的晶體管或單片協議轉換器一樣簡單。雖然在嵌入式應用中非常受歡迎且具有成本效益，但當需要隔離時，連接到雙向端口的電路不太理想。添加隔離需要將雙向總線拆分為正向路徑和反向路徑。為了防止從站響應零時后向路徑鎖存正向路徑，要么需要在主機端接受毛刺，要么引入第二個低電平，該電平對于主機來說足夠低，但太高而無法導致鎖存。

本節(jié)中討論的電路設計用于具有數字輸入和輸出的隔離器，這是新型隔離器產品的典型特征。低成本光隔離器的輸入通常是發(fā)光二極管（LED）的陰極，晶體管的集電極開路用作輸出。為了與低成本光隔離器配合使用，需要對電路進行相應的修改（例如，通過在輸入路徑中插入限流電阻，并使用施密特觸發(fā)器/逆變器在輸出端執(zhí)行信號調理）。

單向端口電路

圖1中的電路是一個簡單的端口引腳連接到微控制器或作為主機處理器的FPGA。添加了隔離器 U1 和 U2。U1 隔離正向路徑和后向路徑。U2（如果已安裝）允許激活Q2，以便向1-Wire從機提供額外的功率（“強上拉”）。除非隔離器增加100ns或更長的延遲，否則該電路適用于標準和過驅1-Wire速度。

圖1.采用微控制器或FPGA作為主機處理器的隔離式1-Wire主控電路。

圖2中的電路使用集成的RX/TX協議轉換器。添加了隔離器U1，用于隔離正向路徑和后向路徑。所有時間關鍵型操作均由串行至1-Wire線路驅動器（如DS2480B）控制，最大數據速率限制為115.2kbps （8.68μs/bit）。因此，無論1-Wire速度如何，只要隔離器增加的信號延遲不超過1μs，就不是重要的。DS2480B的部分成本在為U1選擇低成本光隔離器并相應地修改電路時可以收回。

圖2.帶有RX/TX協議轉換器的隔離式1-Wire主控電路。

雙向端口電路

圖3中的電路是一個簡單的端口引腳連接到微控制器或作為主機處理器的FPGA。與圖1相比，通信端口是雙向的。增加了隔離器U1和U2、總線緩沖器U3、漏極開路驅動器U4以及電阻R2、R3和R4。U3的下部將PIOA的雙向數據路徑分為正向路徑（U3的TY到U1的IN）和后向路徑（U1的OUT到U3的RY）。同相驅動器U4將正向和反向路徑連接到雙向1-Wire總線。U3 的上部（SX 到 TX）將 PIOB 連接到 U2 的輸入（正向路徑）。不使用向后路徑（RX 到 SX）。U2（如果已安裝）允許激活Q2，以便向1-Wire從機提供額外的功率（“強上拉”）。請注意，總線緩沖器U3引入了明顯的往返延遲（2 × ~250ns）。雖然在標準1-Wire速度下可以容忍，但在超速行駛時建議謹慎。P82B96專為I2C應用而設計。主機側的電壓電平（SY、PIOA）與I2C器件兼容，但對于1-Wire從機和集成式1-Wire主機來說，低電平過高。在考慮此電路之前，請驗證 V 是否歐勒馬克斯在 SY 與 V 兼容ILMAX在PIOA。PCA9600是P82B96的升級版;它具有一半的傳播延遲和略微降低的V歐勒馬克斯水平，但消耗更多電量。通常，圖4中的電路是更好的選擇。

圖3.具有雙向主機處理器端口的隔離式1-Wire主電路。

圖4所示電路采用集成I2C至1-Wire協議轉換器。增加了隔離器U1和U2、總線緩沖器U3、漏極開路驅動器U4以及電阻R1、R2和RP3。U3的下部將雙向SDA路徑分為正向路徑（U3的TY到U1的IN）和后向路徑（U1的OUT到U3的RY）。同相驅動器U4將正向和后向路徑連接到雙向隔離SDA。由于1-Wire主機U5不使用時鐘延伸，因此SCL路徑（Sx至U3的TX和U2的IN）是單向的。因此，允許將U2的推挽輸出直接連接到協議轉換器的SCL。所有時間關鍵型操作均由1-Wire主機控制，該主機支持高達400kHz的I2C時鐘速率。因此，總線緩沖器和隔離器增加的信號延遲并不重要。由于總線緩沖器已經增加了2×~250ns，因此隔離器需要相當快，例如，每個方向的最大50ns。由于需求旺盛，I2C模塊將總線緩沖器、隔離器和驅動器集成在單個SOIC封裝中。

圖4.隔離式1-Wire主控電路，內置I2C協議轉換器。

隔離技術

經典的隔離裝置是變壓器，它仍然用于電源。變壓器在相當有限的頻率范圍內工作良好。它們不能處理非常低的頻率，因為控制系統需要它們。早期的光隔離器由手電筒燈泡和光相關電阻器（LDR）等簡單光源構成，填補了這一空白。隨著 1970 年代 LED 的出現，出現了新一代更快的光隔離器，其工作頻率從直流電到每秒數千個脈沖。此后的技術進步改進了光隔離器，現在可以處理每秒超過1000萬比特的數據速率。變壓器的小型化和芯片級的發(fā)現導致了新型隔離器的速度，甚至更快。電容耦合在早期是不可行的，現在部署在一種新型隔離器中，該隔離器在小型SOIC封裝中包含RF發(fā)射器和接收器。

在下面的討論中，針對每種技術，確定了一家主要供應商。在可能的情況下，本文將介紹一款適用于2.5kV隔離的單通道和雙通道器件，該器件適用于各供應商的1-Wire過驅速度。該信息最初于2011年8月根據制造商數據手冊和應用筆記匯編而成。除了技術挑戰(zhàn)之外，任何影響安全的事情都需要遵守特定國家/地區(qū)的法規(guī)。 安華高隔離電路監(jiān)管指南3很好地介紹了這一問題。所有隔離器數據手冊都列出了產品符合的證書。

經常（但并非總是）與安全相關的術語是“故障安全”。結合隔離器器件，一般的理解是，如果隔離器的輸入沒有電源，則“故障安全”與隔離器輸出的狀態(tài)有關。請務必查看產品數據手冊以了解詳細信息，并使用樣品驗證電路的行為。來自同一供應商的產品可能表現出不同的行為。在某些情況下，可以選擇輸入側沒有電源的器件，輸出為高電平或低電平，具體取決于應用中的最佳效果。

光隔離（安華高科技）

基于LED和光電晶體管的光隔離器一直主導著市場，直到2000年代初引入競爭技術。表 1 顯示了安華高 ACPL-077L 和 ACSL-7210 光隔離器的特征參數（前身為安捷倫，惠普分拆公司）。盡管光隔離器種類繁多，包括其他制造商的光隔離器，但很少有光隔離器具有真正的數字邏輯輸入和輸出，需要符合本文圖1至圖4中提供的原理圖。

根據其工作方式，LED消耗的電流取決于邏輯狀態(tài)也就不足為奇了。由于LED的光輸出會隨著時間的推移而變差，因此應在LED關閉的情況下選擇空閑狀態(tài)，這樣可以最大程度地減少電流消耗并延長使用壽命。與其他技術相比，光隔離器需要相當高的工作電流。

芯片級變壓器（ADI公司）

2001年，ADI公司推出了i耦合器器件，這是一種基于集成在半導體襯底上的芯片級微變壓器的隔離器。輸入端的邏輯轉換導致窄（~1ns）電流脈沖通過變壓器發(fā)送到解碼器。雙穩(wěn)態(tài)解碼器由脈沖設置或復位，指示輸入邏輯轉換。在輸入端沒有超過~1μs的邏輯轉換的情況下，正確的輸出狀態(tài)是通過一組周期性的刷新脈沖來實現的，這些脈沖指示輸入狀態(tài)。?

表2顯示了ADuM3100A和ADuM3201B的特性參數。電流消耗遠低于光隔離器，并且不依賴于輸入的邏輯狀態(tài)。一些iCoupler器件包括DC-DC轉換器（iso電源技術），為另一側提供隔離電源。特別方便的是I2C模塊ADuM1250和ADuM1251，它們將圖4中的U1、U2、U3和U4合并到一個封裝中。?

巨磁阻技術（NVE株式會社）

2002年，NVE公司推出了IsoLoop數字隔離器。輸入端看起來與i耦合器相同，但接收器端不同。輸入端的邏輯轉換通過平面線圈轉換為窄（~2.5ns）電流脈沖，在GMR惠斯通電橋周圍產生磁場。根據磁場的方向，電橋使輸出比較器根據輸入信號的變化進行切換。一個內部刷新時鐘可確保輸入和輸出在超過上電門限的電源電壓的 9μs 內同步。安華高HCPL-90xx/09xx系列使用相同的技術。?

表 3 顯示了 IL510 和 IL514 的特性參數。電流消耗與芯片級變壓器產品相當。IL51x系列的隔離器不應與舊的IL71x系列產品混淆，后者沒有內部刷新功能。

電容隔離（硅實驗室）

硅實驗室的ISOpro數字隔離器與光隔離器非常相似。它們使用打開或關閉的RF載波代替光，具體取決于輸入信號。當輸入狀態(tài)為高電平時，發(fā)射器產生一個RF載波，該載波穿過電容隔離柵傳播到接收器。如果檢測到足夠的帶內載波能量，接收器在其輸出端置位邏輯高電平。當輸入狀態(tài)為低電平時，發(fā)射器被禁用，并且不存在載波。因此，接收器未檢測到帶內載波能量，并將輸出驅動為低電平。

表4顯示了Si8410AB和Si8422AB的特性參數。電流消耗非常低，但與光隔離器一樣，取決于輸入信號的狀態(tài)。默認輸出狀態(tài)（當輸入端沒有電源時）是固定的（高電平或低電平）或排序選項。特別方便的是I2C模塊Si8400AB和Si8401AB，它們將圖4中的U1、U2、U3和U4合并到一個封裝中。

電容隔離（德州儀器）

與Silicon Laboratories相比，德州儀器的數字隔離器使用2路徑拓撲結構通過RF將輸入信號傳輸到輸出側，從而以不同的方式處理慢速和快速信號?？焖傩盘柭窂讲痪幋a，在單端至差分轉換后跨勢壘傳輸數據轉換。慢信號路徑首先以脈寬調制（PWM）格式對數據進行編碼，然后進行差分傳輸，確保穩(wěn)態(tài)條件下的精確通信。在隔離柵的另一側，差分比較器接收邏輯轉換信息，然后相應地設置或復位觸發(fā)器和輸出電路。定期更新脈沖穿過柵線發(fā)送，以確保輸出的直流電平正確。如果超過4μs未接收到此直流刷新脈沖，則假定輸入未上電或未被主動驅動，并且故障安全電路將輸出驅動至默認狀態(tài)。

表 5 顯示了 ISO721 和 ISO7221C 的特性參數。工作電流相當高，與光隔離器相當，但與輸入狀態(tài)無關。默認輸出狀態(tài)（當輸入沒有電源時）為高電平。特別方便的是I2C模塊ISO1540和ISO1541，它們將圖4中的U1、U2、U3和U4合并到一個封裝中。

結論

本文將介紹采用多家供應商數字隔離器的具有電氣隔離功能的1-Wire主電路的拓撲結構。最適合隔離的是使用單獨的單向端口進行1-Wire通信的主機處理器。1-Wire通信信號可以直接在軟件控制下創(chuàng)建，也可以通過RX/TX轉1-Wire轉換器芯片創(chuàng)建。雙向端口需要將信號分成正向和反向路徑，然后通過單獨的隔離器進行路由。得益于單封裝I2C隔離模塊和I2C-1-Wire協議轉換器芯片，帶I2C端口的主機處理器是一種可行的替代方案。

審核編輯：郭婷