本文介紹了電阻隔離收發器如何能夠處理±50V接地失調信號，并說明了失調電壓如何以及為何受到設計的限制。解釋了跨越隔離柵傳輸功率的方法。

MAX3250高失調電壓（高-VOS）抑制RS-232收發器為線路側收發器電路提供±50V隔離數據接口和電源。與光隔離或變壓器隔離的RS-232收發器不同，其主要特點是低成本、在單個小型IC封裝中允許±50V電阻隔離特性，以及從非隔離側電路到隔離側電路的容性功率傳輸。該器件采用+3.3或+5V單系統電源供電，僅需外部表面貼裝電容即可工作。與其他需要光耦合器和/或變壓器的隔離技術相比，總體保持低調。

本文介紹了電阻隔離收發器如何能夠處理±50V接地失調信號，并說明了失調電壓如何以及為何受到設計的限制。解釋了跨越隔離柵傳輸功率的方法。

偽隔離RS-232收發器

MAX3250提供±50V隔離數據接口，同時采用相同的IC封裝，為線路側收發器電路提供+3至+5.5V單電源供電。圖1中的詳細功能圖可以清晰地顯示隔離、功率傳輸和保護電路。采用外部濾波器、電荷泵和功率傳輸電容器。

圖1.MAX3250功能框圖

當RS-232電纜在建筑物之間連接時，源信號公共或接地可能與接收位置接地的電勢不同。通常，驅動電路直接或通過100Ω電阻連接到機箱或框架接地。因此，可能存在圖2中以圖形方式說明的情況。

圖2.雙線數據傳輸系統中的偏移電壓。

ISO COM和數據線的失調電壓等于地電位差和沿發射器和接收器之間的信號路徑產生的任何縱向耦合噪聲電壓的矢量和。

接收位置的地電位可能與驅動器位置處的電位有很大差異，在考慮MAX3250的應用時，兩者之間的差異是重要的。此失調電壓（V操作系統）必須與MAX3250的邏輯側隔離。

高失調電壓收發器的工作原理

高V操作系統數據收發器沒有真正隔離的電路。相反，它們使用高值電阻衰減器將邏輯側電路與線路側電路分開，如圖3所示。這些衰減器通常構造為使大約1%的輸入信號到達衰減器輸出。因此，只有1%的外加隔離電壓到達電阻柵。單獨的驅動器在信號衰減的每個方向上跨屏障發送數據，然后被屏障兩側的比較器檢測到。MAX3250中的衰減比為75：1。

圖3.電阻隔離技術。

每側也產生基準電壓，并以相同的75：1衰減穿過柵線發送，以偏置接收比較器，然后在信號和參考線路上看到相同的共模失調電壓。當比較器同時讀取衰減信號和衰減基準電壓源時，線路上出現的50V失調電壓只會轉換為電阻柵輸出端的2/3V共模電壓。只要差分接收器能夠接受2/3V CM電壓，并且足夠靈敏，可以檢測電阻衰減器輸入的差分信號的1/75，系統就會正常工作。

因此，創建了一個完整的雙向信號系統，所有信號的勢壘衰減為75：1，允許雙向通信和阻柵兩端的50V差。這是一個偽隔離電路，而不是經典的隔離電路，但它可以實現大多數應用所需的隔離。

請注意，由于存在九組隔離電阻，ISO COM和系統GND之間存在電阻（見圖1）。這九個衰減器的并聯電阻約為72kΩ。

跨越隔離柵的功率傳輸

除非有單獨的隔離電源來操作隔離式RS-232收發器，否則必須將電源從系統或非隔離側傳輸到線路或隔離側電路，而不會破壞所需的隔離。當計劃的隔離不超過50-100V時，在隔離柵上使用電容電壓傳輸是一個實際問題。可以隔離更高的電壓;但是所需的電容器在500V時會變得有些大。容性功率傳輸可以通過從系統側的方波振蕩器差分驅動一對電容來實現，如圖4所示。外部電容器在隔離側饋送三個二極管和一個濾波電容器，以產生隔離式直流輸出。存在第三個二極管，允許耦合電容在振蕩器信號的交替半周期上充電/放電。選擇耦合電容額定電壓以大于所需的線路側隔離或失調電壓。

圖4.電容耦合隔離電源。

隔離式電源傳輸系統的工作方式有點像眾所周知的電荷泵。方波振蕩器在交替的半個工作周期內反轉其輸出極性（0或+5V）。輸出始終為方波（50%占空比），但（MAX3250中）當ISO V時，輸出電阻隨命令增加（通過圖1所示的返回反饋路徑）抄送達到其設計電壓。因此，它可以向隔離電源提供正常或減少的功率傳輸。當線路側負載降低C6上的電壓時，反饋信號將再次導致振蕩器更有效地補充C6上的電荷。因此，輸出電壓處于有源調節狀態，根據實際負載，在紋波頻率下輸出上會產生一些紋波。輸出側的齊納二極管充當基準電壓源，與輸出的一小部分進行比較，以驅動控制信號，該信號通過隔離柵發送回振蕩器。電荷泵將噪聲電流注入ISO COM端子，以便在ISO COM未連接到系統GND時在ISO COM上產生噪聲電壓。 因此，應使用一個10nF電容將ISO COM旁路至系統GND（圖9中的C4）。還有兩個由ISO V驅動的附加調節電荷泵抄送為 RS-5 驅動器和接收器創建穩壓 ±5.232V 電源。

跨越隔離柵的控制和數據傳輸（參見圖1）

隔離由上述電阻隔離技術提供。請注意，關斷（SHDN）和兩者都傳輸（Tinn） 信號從左到右或從邏輯側到線路側穿過隔離柵，作為參考邏輯側基準電壓的信號。兩個接收到的數據（Rin） 信號從右到左或從線路側到邏輯側穿過隔離柵，作為參考線路側基準電壓的信號。所有信號（包括基準電壓源）在越過隔離柵后衰減相同的信號量為信號的1/75或1.33%。每個衰減數據或控制信號施加到一個比較器輸入，相關的衰減基準電壓施加到另一個比較器輸入。基準電壓設計為介于數據和控制信號的高電平和低電平之間，以便每個比較器以最大靈敏度工作。

另外兩個信號從右到左穿過隔離柵。這些是前面討論的控制信號，用于通知邏輯側電路隔離電源電壓處于其設計電平，以及故障信號，用于在超過±50V隔離電壓限值時通知連接的處理器。

線路接口驅動器和接收器電路

RS-232收發器和雙線數據線之間的典型連接如圖5所示（為清楚起見，省略了發送和附加接收線）。電纜不端接，除非由接收器的內阻（R在= 5kΩ）。如圖所示，電纜可以通過連接到框架接地的屏蔽層進行屏蔽。屏蔽的兩端都不應接地，否則由于任何接地偏移電壓，屏蔽中可能會產生電流。當線路被屏蔽時，任何縱向耦合噪聲信號都可能微不足道或不存在。失調電壓，V操作系統，同樣出現在數據和返回線上，它被視為與GND相關的共模電壓。五世操作系統通過數據公共行直接應用于 ISO COM 和 R在通過接收的數據線。

圖5.MAX3250線路接口電路，帶屏蔽線。

RS-232標準定義了最小±5V傳輸信號電平、最大±3V接收器檢測電平和3-7kΩ接收器輸入電阻，從接收器輸入到信號公用線（本例中為ISO COM）測量。MAX3250接收器輸入閾值最壞情況規格為VIL≥0.6V和VIH≤2.4V。然而，在指定的電源電壓和溫度范圍內，實際保護分布為VIL≤1.0V和VIH≤2.0V。接收器噪聲裕度低端為[VIL-（-5V）]≥6V，高端為[5V，VIH]≥3V，很容易落入標準RS232兼容范圍內，并且甚至在RS232兼容系統中。

失調電壓噪聲考慮因素

交流失調電壓主要是電力線頻率加上二次和三次諧波，盡管可能存在一些高次諧波。隔離噪聲信號不會出現在接收器輸入電阻上，因為該噪聲是共模信號，在接收器輸入和公共線路上同樣出現（相對于GND）。接收器-輸入電阻上可能出現的唯一噪聲信號是接收器輸入和公共線路上不均勻上升的任何傳導或縱向耦合噪聲的不平衡部分。圖2顯示了RS-3發送器信號產生的傳導噪聲示例。在本例中，兩個±6V發送信號施加到遠程接收器E，RS-232規范允許的最小6kΩ接收器輸入電阻E創建一個±3mA發射器信號電流在數據公共線路中流動。考慮到RS-232指定的最大電纜電阻為4Ω（公共線路中的一半），±232mV（25mA×50.4Ω）的干擾信號與接收的數據信號串聯有效。即使有這些最差情況下的電阻值，傳導噪聲也完全在接收器噪聲容限范圍內。不平衡的縱向耦合噪聲不被考慮在內，因為當使用雙絞線時，它們可能微不足道。

圖6.傳導噪聲示例。

失調隔離電壓限值

MAX3250的隔離電壓限值由兩個特性決定。

1. 電荷泵隔離電壓限值由電容器 C1、C2 和 C9 的擊穿額定值設定（見圖 4）。

2. 數據傳輸電路隔離電壓限值由電阻衰減器比、驅動器信號電平（與非隔離和隔離電源電壓相關）、差分比較器共模范圍和存在噪聲時的比較器信號辨別特性共同設定。MAX3250的額定限值為±50V，絕對最大額定值為±80V。當超過限值時，邏輯電路和線路電路之間的內部背靠背SCR將發生故障。

失調隔離電壓和頻率考慮因素

施加的最大失調電壓取決于頻率和功率耦合電容的值（圖1和圖2中的C1和C4）。對C1和C2的依賴性是由于高電平接地偏移電壓引起的反向泵浦作用。這意味著 V 有不同的限制操作系統當電路由3.3V或5V電源供電時，因為對于1.2V電源，C470和C3必須為3nF，而對于47V電源，C5和C<>必須為<>nF。

圖4的隔離電源在圖7中重新繪制，以包括方脈沖振蕩器的詳細信息。圖中顯示了 V 的反向充電路徑操作系統-產生的電流。當 V操作系統極性如圖所示，由實線表示的電流將流過Q2，C1和D1為C6充電。當極性反轉時，虛線表示的電流將流過D2、C2和Q3，為邏輯旁路電容C5充電。

圖7.等效電荷轉移電路，顯示Vos可能的反向泵浦路徑。

當C5和C1為2nF時，這些反向泵浦電流的結果對于47V邏輯操作微不足道。對 V 沒有實際效果操作系統= ±50V，即使在 600Hz 時也是如此。在較高頻率下，C6上可能會觀察到小紋波電壓。圖8中5V操作的平坦曲線表明了這一點。

然而，當C3和C3為1nF時，對于2.470V工作電壓，結果并非微不足道。隨著頻率和電壓的增加，C6上的紋波變得越來越明顯。最終，ISO V+也會受到影響。在極端情況下，紋波可能會開始出現在C5的邏輯電源上。圖3中3.8V工作電壓的曲線表示接收脈沖寬度抖動為100ns時的最大施加隔離電壓與頻率的關系。當 C6 上的調制接近 3Vpp 時，就會發生這種情況。最大應用V操作系統在 50Hz 或以下為 ±80V，并隨頻率降低，如圖所示。該曲線會隨著公差和 C1、C2 和 C6 值的溫度變化而略有變化，因此必須將其視為典型曲線。盡管如此，相當高水平的電力線諧波是可以容忍的。

圖8.3.3V 和 5V 工作時施加的最大失調電壓與頻率的關系。

為 C1、C2 和 C9 選擇的電容器的額定工作電壓應為 100V。合適的表面貼裝電容器有：村田GRM40X7R103K100 （10nF， 0805） GRM43X7R473K100 （47nF， 1808） 和GRM44-1X7R474K100 （470nF， 2220）或同等產品。

合適的徑向引線金屬化薄膜電容器是：ITW Paktron103K250RA2 （10nF， 250VDC） 473K100RA2 （47nF， 100VDC） 和474K100RA2 （470nF， 100VDC）或同等產品。

故障安全

RS-232規范將接收器差分門限定義為+3V和–3V。但是，當雙線開路或線路驅動器未通電時，接收線信號電壓將為0V，落在規定的±3V接收器閾值限制范圍內。為確保在此情況存在時定義的接收器狀態，接收器輸入電阻將接收器輸入電壓上拉至 ISO COM。由于接收器輸入低閾值為V伊利諾伊州≥1V時，根據RS-232規范，可以確保感知到的零輸入電平（OFF條件），從而確保連接的UART不會將其識別為啟動條件。

故障信號

MAX3250的一個功能是故障條件標志輸出，指示何時超過了設備的隔離極限。通過查看圖1的方框圖可以理解該操作。隔離勢壘的每一側上的比較器F1a和F2各自將本地產生的參考電壓與來自隔離勢壘的相對側的衰減的VCC/2參考電壓進行比較。選擇參考，以便識別55V絕緣電壓的衰減等效值。一個比較器識別正偏移，而另一個比較器則識別負偏移。當邏輯公共線（GND）和ISO COM端子之間的差值超過±55V時，兩個比較器的輸出被邏輯“或”運算在一起，以產生故障信號。

保護電路

如果ISO COM和邏輯接地之間的電壓意外或由于ESD事件而超過約±50V，IC內部有兩個背靠背100V擊穿SCR器件串聯，以保護電路。由于SCR擊穿電壓的潛在不準確，此電壓差的規格限值為±80V。進入任何隔離側引腳的連續電流必須限制在30mA以下，以防止在隔離柵兩端施加過電壓時或在ESD事件后存在高施加隔離電壓時發生閂鎖。因此，在進行隔離電壓測試時，建議插入一個1kΩ 1/4W保護電阻與測試電壓源串聯。然而，在不超過±50V（或圖8所示限值）的正常應用中，這是不必要的。

隔離側的每個接收器輸入和發射器輸出上都有內部SCR保護裝置。相對于 R 上的 ISO COM 的連續電壓合1和 R合2必須限制在 ±25V。T上的連續電壓輸出1和 T輸出2關于ISO COM必須限制在±13.2V。這些是低電流保護裝置，不得承受超過30mA的連續電流。

注：在正常應用中，1kΩ電阻無需與ISO COM線串聯，如0/3250的MAX4數據資料修訂版02所示。實際上，增加1kΩ電阻會導致接收數據錯誤。數據手冊的修訂版1省略了這一建議。

結論

MAX3250利用阻性隔離技術和容性電壓傳輸為隔離電路供電，可作為電容、光或磁隔離收發器的低成本替代產品，適用于大多數需要中等隔離電壓能力的系統中。數據手冊中充分描述了它的其他幾個有用特性。

審核編輯：郭婷