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很多情況下，額外通信不需要高速，因此設計人員便從認證器件列表上選用幾個光耦合器，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計，尤其是簡單的低速光耦合器。設計師也許需要上一堂“光耦合器電流傳輸比(CTR)如何隨時間和溫度變化而變，以及它如何影響應用速度”的速成課。如果多個方向需要額外的通信，那么就需要使用多個封裝，因為如果光耦合器是一個多通道器件，則其通道就必須沿同一個方向傳輸數(shù)據(jù)。隨著設計的逐步展開，尺寸、成本和時間投入便會快速增加。

 

 

使用四通道高速數(shù)字或光學隔離可輕松隔離SPI總線。四通道數(shù)字隔離器能以緊湊的尺寸實現(xiàn)隔離，且通常支持5 MHz至10 MHz SPI時鐘速率。無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。在電流隔離技術中，有兩種主要的編碼方案可以耦合輸入信號：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的功耗更高，時序性能(抖動和PWM)較差。另一方面，邊沿編碼方案功耗較低，且時序性能較好。然而，很多基于邊沿的部署具有較長的傳播延遲，從而限制了SPI總線的時鐘速度。我們將探索消除這種限制以及實現(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)字轉換跨越隔離柵進行編碼。然后，通過解碼這些轉換信號，在輸出端再現(xiàn)數(shù)字輸入。圖1中的示例波形(A類)顯示如何對輸入邊沿進行差分編碼。上升和下降輸入轉換分別編碼為窄正脈沖和負脈沖。

 

只要數(shù)字輸入正在切換，信號就會正常傳輸，但如果發(fā)生輸入至輸出直流電平失配，則失配會一直存在，除非對其進行校正。這在數(shù)據(jù)通道空閑時上電最為明顯；無信號跨越隔離柵進行輸入引腳直流狀態(tài)通信，且邊沿傳輸前啟動狀態(tài)可能不匹配輸入數(shù)據(jù)。為了解決這個問題，邊沿編碼方案采用了某種形式的“刷新”電路，確保在輸出端進行直流校正。在輸入靜止的預設時間(TREFRESH)之后，通過周期性跨越隔離柵傳輸最后一次轉換可實現(xiàn)刷新。圖1還顯示了示例邊沿編碼方案中的刷新(B類波形)。

 

圖1. 跨越隔離柵的編碼波形示例。A類和B類分別為帶與不帶刷新信號的編碼波形。

 

在該波形上，哪怕輸入信號未在上升沿和下降沿之間轉換，多個編碼上升轉換也會跨越隔離柵傳輸，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序影響很重要。從圖1中的波形可知，輸入轉換和刷新信號均通過同樣的隔離通道傳輸，但時間獨立。輸入信號完全異步于內(nèi)部刷新生成電路，因而刷新上一次轉換傳輸?shù)耐瑫r可能發(fā)生輸入轉換。這可能會在接收器端損害時序，導致邏輯錯誤。為了避免這種時序沖突錯誤，會要求刷新電路的信號路徑增加一定的“預判”延遲。

 

該延遲可確?？缭礁綦x柵的編碼信號之間具有最小隔離，從而允許接收器明確解碼一切編碼傳輸序列。缺點是隨著速度的增加，這種延遲會大幅增加隔離器的傳播延遲，進而限制滿足SPI時序要求的能力。

 

幸運的是，這種限制是可以解決的。如果輸入轉換和刷新狀態(tài)通過不同的隔離元件傳輸，并且隨后在輸出端匯合，則無需任何預判延遲，且伴隨著時序性能的下降。將此構想擴展至多通道隔離器，則所有通道的刷新狀態(tài)可在單個隔離通道內(nèi)時間多路復用，然后解復用并與相應輸出合并。基本上，輸入狀態(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)輸入保持非活動的時間決定使用直流狀態(tài)或是最后一次輸入轉換來更新輸出。由于僅有一個額外的數(shù)字隔離器通道搭載全部刷新狀態(tài)，因此可以釋放所有輸入通道的預判延遲，并使其僅搭載輸入開關信息，從而大幅改善傳播延遲。圖2顯示了這一構想。

 

圖2. 搭載輸入1和輸入2刷新時間多路復用的專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現(xiàn)SPI通道的極低傳播延遲，從而實現(xiàn)高達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，并通過將數(shù)據(jù)時間多路復用至跨越隔離柵來回傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包中，實現(xiàn)傳輸各種其他低吞吐率信號的額外用途。這樣可以實現(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在多路復用刷新通道上集成三個250 kbps輔助數(shù)字通道。三個不同的產(chǎn)品型號允許針對這些輔助通道進行多通道方向配置。哪怕輔助通道異步，它們也會在通過單隔離通道傳輸前進行采樣和數(shù)據(jù)包封裝。這些輔助通道的傳播延遲變化量最高可達2.6 μs，具體取決于通道輸入何時根據(jù)內(nèi)部采樣時鐘切換。對異步輔助信號進行采樣和串行化還能將其與內(nèi)部采樣時鐘同步。如果慢信號之間具有精確的時序很重要，那么這可能導致時序問題，對于1.2 μs或更短時間窗口內(nèi)的精度而言更是如此。幸運的是，典型SPI總線周圍僅有極少數(shù)輔助信號之間要求具備如此精確的時序關系。更為重要的是，該低速數(shù)據(jù)系統(tǒng)經(jīng)過仔細設計，可保留(多個異步通道的)邊沿階數(shù)——只要邊沿由至少一個最小偏斜隔離(VIXSKEW)。換言之，如果某個邊沿在輸入端超前另一個邊沿，則隔離器不會反轉階數(shù)。

 

 

圖3. 采用多種技術實現(xiàn)補充功能的典型SPI應用。

 

圖3是一個典型SPI應用，該應用要求1 MHz SCLK、四線式SPI以及三個用于中斷、電源良好和復位的額外信號。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。時序處于所有主要類型隔離器的能力范圍內(nèi)，因此可以獨立于性能之外比較解決方案尺寸與成本的集成效應。以下提供部分實施選項：

 

1) 使用全部光耦合器

2) 針對慢信號通道的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，以及允許放置無源器件的位置。

 

以混合速度光耦合器解決方案為基準，很多設計人員會試圖將標準數(shù)字隔離器與成本極低的光耦合器組合，并以為那就是性價比最高的低速信號采樣實現(xiàn)方法。解決方案之間很大一部分的差異是因為數(shù)字隔離器允許在單個封裝內(nèi)混合通道方向，避免了大量的封裝開銷?；旌霞夹g解決方案可能具有較高的性價比，但額外犧牲了設計時間，并產(chǎn)生穩(wěn)定性問題。廉價的光耦合器速度很慢，且由于結構簡單而需要細研究考量才能成功完成設計。必須非常仔細確保它們隨時間和溫度變化的穩(wěn)定性，同時盡可能降低功耗。

 

從光耦合器解決方案轉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)反轉保護功能，無設計開銷、無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高于單個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?？紤]到SPI性能，則ADuM3152數(shù)字隔離解決方案可支持高達17 MHz時鐘速率的SPI，因為其傳播延遲極短；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. 采用光耦合器實現(xiàn)補充功能的典型SPI應用。

 

 

在ADuM3154產(chǎn)品的變體中，250 kbps、低速、雙通道地址總線用來控制隔離式從機選擇地址線(SSx)，允許在最短2.6 μs時間內(nèi)改變目標從機器件。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)的改變而轉換。

 

ADuM3154使用2位地址總線將主機-從機選擇(MSS)路由至四個從機之一。這些地址總線位都是慢速信號，它們再次綁定四個常用高速SPI通道的刷新狀態(tài)。 就像刷新狀態(tài)，地址位經(jīng)采樣、封包后，以串行方式跨越隔離柵傳輸。在從機側對數(shù)據(jù)包進行去串行處理，地址位用來解復用MSS。解復用器將在2.6 μs內(nèi)將MSS信號路由至所需從機，具體時間取決地址總線何時相對于內(nèi)部采樣時鐘進行切換。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慎，以保證這些地址位在輸出側互相保持同步，尤其是從某個選定的從機轉換至另一個從機時。

 

圖5. 從機選擇地址位SSAx選擇四個從機之一(即SSx)。

 

 

一個常見的SPI設計要求是與共享同一個SPI總線的多個從機器件對話。這可以通過多種方式實現(xiàn)。如果數(shù)據(jù)同時從所有次級端器件采樣而來，并且所有數(shù)據(jù)的每一幀都傳輸，則最簡單的方法是采用菊花鏈將器件連接起來，并將整個鏈路上的所有器件信號通過單個隔離端口順序移出。但如果數(shù)據(jù)采集序列不固定，則每一個SPI從機都必須單獨尋址。這就為隔離式接口提出了特定的挑戰(zhàn)。

 

如果每一個從機都必須獨立尋址，則每個器件都必須有獨立的從機選擇線。很多情況下，從機選擇不僅選擇特定目標用于SPI通信，還會發(fā)起ADC轉換(舉例而言)，因此該條線路還必須具有高度精確的時序性能。在很多部署中，這就要求提供額外的隔離通道，并具有與時鐘通道相當?shù)乃俣龋员Ａ魰r序。一

款四通道隔離SPI設計如圖6所示；圖中，標準四通道高速隔離采用三個額外的高速隔離通道予以加強。

 

從機選擇的另一種方法如圖6右半部分所示。在次級端使用一個多路復用器，而較低速度的隔離選擇線可用來選擇目標。必須謹慎切換多路復用控制線，以防它們在時序略為失配時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現(xiàn)，并且由于應用定義良好，因此可以內(nèi)部構建對于不確定狀態(tài)的保護，防止小的時序誤差造成瞬時輸出狀態(tài)。

 

圖6. 典型多從機SPI應用。

 

在最終分析中，若無論何種技術都能達到性能要求，則最佳設計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個隔離通道的簡單光耦合器、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%。三個解決方案的成本對比也和面積類似，SPIsolator方案的成本相比其他方案大幅降低。

 

圖7. 采用光耦合器實現(xiàn)補充功能的典型SPI應用。

 

 

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