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所需的高速數字隔離器。但是，光耦合器不如數字隔離器那麼容易設計
，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(de)速(su)成(cheng)課(ke)。如(ru)果(guo)多(duo)個(ge)方(fang)向(xiang)需(xu)要(yao)額(e)外(wai)的(de)通(tong)信(xin)，那(na)麼(me)就(jiu)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)多(duo)個(ge)封(feng)裝(zhuang)，因(yin)為(wei)如(ru)果(guo)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)是(shi)一(yi)個(ge)多(duo)通(tong)道(dao)器(qi)件(jian)，則(ze)其(qi)通(tong)道(dao)就(jiu)必(bi)須(xu)沿(yan)同(tong)一(yi)個(ge)方(fang)向(xiang)傳(chuan)輸(shu)數(shu)據(ju)。隨(sui)著(zhe)設(she)計(ji)的(de)逐(zhu)步(bu)展(zhan)開(kai)，尺(chi)寸(cun)、成本和時間投入便會快速增加。

 

 

使用四通道高速數字或光學隔離可輕鬆隔離SPI總線。四通道數字隔離器能以緊湊的尺寸實現隔離
，且通常支持5 MHz至10 MHz SPI時鍾速率。無論基於集成式微變壓器、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，並且一般而言空閑時的功耗更高
，時序性能(抖動和PWM)較差。另一方麵，邊沿編碼方案功耗較低
，且時序性能較好。然而，很多基於邊沿的部署具有較長的傳播延遲，從而限製了SPI總線的時鍾速度。我們將探索消除這種限製以及實現極高性能SPI總線隔離的技巧。

 

在邊沿編碼方案中
，輸入數字轉換跨越隔離柵進行編碼。然後，通過解碼這些轉換信號，在輸出端再現數字輸入。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衝和負脈衝。

 

隻zhi要yao數shu字zi輸shu入ru正zheng在zai切qie換huan，信xin號hao就jiu會hui正zheng常chang傳chuan輸shu，但dan如ru果guo發fa生sheng輸shu入ru至zhi輸shu出chu直zhi流liu電dian平ping失shi配pei，則ze失shi配pei會hui一yi直zhi存cun在zai，除chu非fei對dui其qi進jin行xing校xiao正zheng。這zhe在zai數shu據ju通tong道dao空kong閑xian時shi上shang電dian最zui為wei明ming顯xian；無wu信xin號hao跨kua越yue隔ge離li柵zha進jin行xing輸shu入ru引yin腳jiao直zhi流liu狀zhuang態tai通tong信xin
，且qie邊bian沿yan傳chuan輸shu前qian啟qi動dong狀zhuang態tai可ke能neng不bu匹pi配pei輸shu入ru數shu據ju。為wei了le解jie決jue這zhe個ge問wen題ti
，邊bian沿yan編bian碼ma方fang案an采cai用yong了le某mou種zhong形xing式shi的de“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)之後，通過周期性跨越隔離柵傳輸最後一次轉換可實現刷新。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。

 

zaigaiboxingshang，napashuruxinhaoweizaishangshengyanhexiajiangyanzhijianzhuanhuan

，duogebianmashangshengzhuanhuanyehuikuayuegelizhachuanshu，yibianshuaxinjieshouqizhuangtaibingquebaojieshouqichuyugaodianpingzhuangtai。xianran，chulequebaoshangdianshijuyouzhengquedeshuchuzhuangtai
，shuaxindianluhaiyouzhuyuxiaozhengshuchuzhuangtai(若輸出遭破壞並與輸入狀態不同步)。由於編碼數據持續傳輸，該方案產生空閑功耗。由於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1zhongdeboxingkezhi，shuruzhuanhuanheshuaxinxinhaojuntongguotongyangdegelitongdaochuanshu，danshijianduli。shuruxinhaowanquanyibuyuneibushuaxinshengchengdianlu

，yinershuaxinshangyicizhuanhuanchuanshudetongshikenengfashengshuruzhuanhuan。zhekenenghuizaijieshouqiduansunhaishixu，daozhiluojicuowu。weilebimianzhezhongshixuchongtucuowu
，huiyaoqiushuaxindianludexinhaolujingzengjiayidingde“預判”延遲。

 

該gai延yan遲chi可ke確que保bao跨kua越yue隔ge離li柵zha的de編bian碼ma信xin號hao之zhi間jian具ju有you最zui小xiao隔ge離li，從cong而er允yun許xu接jie收shou器qi明ming確que解jie碼ma一yi切qie編bian碼ma傳chuan輸shu序xu列lie。缺que點dian是shi隨sui著zhe速su度du的de增zeng加jia，這zhe種zhong延yan遲chi會hui大da幅fu增zeng加jia隔ge離li器qi的de傳chuan播bo延yan遲chi

，進jin而er限xian製zhi滿man足zuSPI時序要求的能力。

 

xingyundeshi，zhezhongxianzhishikeyijiejuede。ruguoshuruzhuanhuanheshuaxinzhuangtaitongguobutongdegeliyuanjianchuanshu，bingqiesuihouzaishuchuduanhuihe，zewuxurenheyupanyanchi
，qiebansuizheshixuxingnengdexiajiang。jiangcigouxiangkuozhanzhiduotongdaogeliqi
，zesuoyoutongdaodeshuaxinzhuangtaikezaidangegelitongdaoneishijianduolufuyong，ranhoujiefuyongbingyuxiangyingshuchuhebing。jibenshang，shuruzhuangtaijingcaiyang
、封feng裝zhuang後hou，以yi串chuan行xing方fang式shi跨kua越yue隔ge離li柵zha傳chuan輸shu。接jie收shou器qi持chi續xu跟gen蹤zong輸shu入ru直zhi流liu狀zhuang態tai
，然ran後hou根gen據ju輸shu入ru保bao持chi非fei活huo動dong的de時shi間jian決jue定ding使shi用yong直zhi流liu狀zhuang態tai或huo是shi最zui後hou一yi次ci輸shu入ru轉zhuan換huan來lai更geng新xin輸shu出chu。由you於yu僅jin有you一yi個ge額e外wai的de數shu字zi隔ge離li器qi通tong道dao搭da載zai全quan部bu刷shua新xin狀zhuang態tai，因yin此ci可ke以yi釋shi放fang所suo有you輸shu入ru通tong道dao的de預yu判pan延yan遲chi，並bing使shi其qi僅jin搭da載zai輸shu入ru開kai關guan信xin息xi，從cong而er大da幅fu改gai善shan傳chuan播bo延yan遲chi。圖tu2顯示了這一構想。

 

圖2. 搭載輸入1和輸入2刷新時間多路複用的專用第三隔離通道功能框圖。

 

ADI SPIsolator?係列高速數字隔離器采用該方案實現SPI通道的極低傳播延遲
，從而實現高達17 MHz的高帶寬隔離SPI總(zong)線(xian)部(bu)署(shu)。額(e)外(wai)的(de)隔(ge)離(li)器(qi)通(tong)道(dao)搭(da)載(zai)刷(shua)新(xin)信(xin)息(xi)
，並(bing)通(tong)過(guo)將(jiang)數(shu)據(ju)時(shi)間(jian)多(duo)路(lu)複(fu)用(yong)至(zhi)跨(kua)越(yue)隔(ge)離(li)柵(zha)來(lai)回(hui)傳(chuan)輸(shu)的(de)數(shu)據(ju)包(bao)中(zhong)，實(shi)現(xian)傳(chuan)輸(shu)各(ge)種(zhong)其(qi)他(ta)低(di)吞(tun)吐(tu)率(lv)信(xin)號(hao)的(de)額(e)外(wai)用(yong)途(tu)。這(zhe)樣(yang)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)除(chu)SPI串行數據位以外的其他通信，從而獲得功能多樣化且高度集成的隔離式SPI總線。

 

 

SPIsolator產品係列中的部分型號在多路複用刷新通道上集成三個250 kbps輔fu助zhu數shu字zi通tong道dao。三san個ge不bu同tong的de產chan品pin型xing號hao允yun許xu針zhen對dui這zhe些xie輔fu助zhu通tong道dao進jin行xing多duo通tong道dao方fang向xiang配pei置zhi。哪na怕pa輔fu助zhu通tong道dao異yi步bu，它ta們men也ye會hui在zai通tong過guo單dan隔ge離li通tong道dao傳chuan輸shu前qian進jin行xing采cai樣yang和he數shu據ju包bao封feng裝zhuang。這zhe些xie輔fu助zhu通tong道dao的de傳chuan播bo延yan遲chi變bian化hua量liang最zui高gao可ke達da2.6 μs，具(ju)體(ti)取(qu)決(jue)於(yu)通(tong)道(dao)輸(shu)入(ru)何(he)時(shi)根(gen)據(ju)內(nei)部(bu)采(cai)樣(yang)時(shi)鍾(zhong)切(qie)換(huan)。對(dui)異(yi)步(bu)輔(fu)助(zhu)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)采(cai)樣(yang)和(he)串(chuan)行(xing)化(hua)還(hai)能(neng)將(jiang)其(qi)與(yu)內(nei)部(bu)采(cai)樣(yang)時(shi)鍾(zhong)同(tong)步(bu)。如(ru)果(guo)慢(man)信(xin)號(hao)之(zhi)間(jian)具(ju)有(you)精(jing)確(que)的(de)時(shi)序(xu)很(hen)重(zhong)要(yao)
，那(na)麼(me)這(zhe)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)時(shi)序(xu)問(wen)題(ti)，對(dui)於(yu)1.2 μs或更短時間窗口內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輔助信號之間要求具備如此精確的時序關係。更為重要的是，該低速數據係統經過仔細設計



，可保留(多個異步通道的)邊沿階數——隻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。

 

 

圖3. 采用多種技術實現補充功能的典型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以及三個用於中斷
、電源良好和複位的額外信號。低速通道可能僅需40 μs傳(chuan)播(bo)延(yan)遲(chi)。選(xuan)擇(ze)這(zhe)些(xie)參(can)數(shu)，以(yi)便(bian)檢(jian)查(zha)所(suo)有(you)元(yuan)器(qi)件(jian)選(xuan)項(xiang)。時(shi)序(xu)處(chu)於(yu)所(suo)有(you)主(zhu)要(yao)類(lei)型(xing)隔(ge)離(li)器(qi)的(de)能(neng)力(li)範(fan)圍(wei)內(nei)
，因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)獨(du)立(li)於(yu)性(xing)能(neng)之(zhi)外(wai)比(bi)較(jiao)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)尺(chi)寸(cun)與(yu)成(cheng)本(ben)的(de)集(ji)成(cheng)效(xiao)應(ying)。以(yi)下(xia)提(ti)供(gong)部(bu)分(fen)實(shi)施(shi)選(xuan)項(xiang)：

 

1) 使用全部光耦合器

2) 針對慢信號通道的SPI和光耦合器使用數字隔離器

3) 使用全集成式數字隔離器，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
，可以發現IC如何在PCB上布局。紅框大致框出了隔離元器件所需的範圍，以及允許放置無源器件的位置。

 

yihunhesuduguangouheqijiejuefanganweijizhun

，henduoshejirenyuanhuishitujiangbiaozhunshuzigeliqiyuchengbenjidideguangouheqizuhe，bingyiweinajiushixingjiabizuigaodedisuxinhaocaiyangshixianfangfa。jiejuefanganzhijianhendayibufendechayishiyinweishuzigeliqiyunxuzaidangefengzhuangneihunhetongdaofangxiang
，bimianledaliangdefengzhuangkaixiao。hunhejishujiejuefangankenengjuyoujiaogaodexingjiabi，danewaixishengleshejishijian，bingchanshengwendingxingwenti。lianjiadeguangouheqisuduhenman
，qieyouyujiegoujiandanerxuyaoxiyanjiukaoliangcainengchenggongwanchengsheji。bixufeichangzaixiquebaotamensuishijianhewendubianhuadewendingxing
，tongshijinkenengjiangdigonghao。

 

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置通道間速度差和脈衝階數反轉保護功能

，無設計開銷、無(wu)需(xu)占(zhan)用(yong)額(e)外(wai)的(de)電(dian)路(lu)板(ban)空(kong)間(jian)。集(ji)成(cheng)式(shi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)低(di)速(su)通(tong)道(dao)還(hai)支(zhi)持(chi)遠(yuan)高(gao)於(yu)單(dan)個(ge)晶(jing)體(ti)管(guan)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)的(de)數(shu)據(ju)速(su)率(lv)。集(ji)成(cheng)式(shi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)成(cheng)本(ben)遠(yuan)低(di)於(yu)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)一(yi)半(ban)，並(bing)且(qie)相(xiang)比(bi)分(fen)立(li)式(shi)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)每(mei)通(tong)道(dao)具(ju)有(you)更(geng)低(di)的(de)低(di)速(su)通(tong)道(dao)成(cheng)本(ben)。考(kao)慮(lv)到(dao)SPI性能，則ADuM3152數字隔離解決方案可支持高達17 MHz時鍾速率的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. 采用光耦合器實現補充功能的典型SPI應用。

 

 

在ADuM3154產品的變體中，250 kbps、低速、雙通道地址總線用來控製隔離式從機選擇地址線(SSx)

，允許在最短2.6 μs時間內改變目標從機器件。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。 就像刷新狀態，地址位經采樣
、封包後，以串行方式跨越隔離柵傳輸。在從機側對數據包進行去串行處理，地址位用來解複用MSS。解複用器將在2.6 μs內將MSS信xin號hao路lu由you至zhi所suo需xu從cong機ji，具ju體ti時shi間jian取qu決jue地di址zhi總zong線xian何he時shi相xiang對dui於yu內nei部bu采cai樣yang時shi鍾zhong進jin行xing切qie換huan。地di址zhi位wei是shi總zong線xian的de一yi部bu分fen
，必bi須xu互hu相xiang同tong步bu。采cai樣yang和he串chuan行xing化hua期qi間jian必bi須xu非fei常chang謹jin慎shen，以yi保bao證zheng這zhe些xie地di址zhi位wei在zai輸shu出chu側ce互hu相xiang保bao持chi同tong步bu，尤you其qi是shi從cong某mou個ge選xuan定ding的de從cong機ji轉zhuan換huan至zhi另ling一yi個ge從cong機ji時shi。

 

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zong線xian的de多duo個ge從cong機ji器qi件jian對dui話hua。這zhe可ke以yi通tong過guo多duo種zhong方fang式shi實shi現xian。如ru果guo數shu據ju同tong時shi從cong所suo有you次ci級ji端duan器qi件jian采cai樣yang而er來lai，並bing且qie所suo有you數shu據ju的de每mei一yi幀zhen都dou傳chuan輸shu，則ze最zui簡jian單dan的de方fang法fa是shi采cai用yong菊ju花hua鏈lian將jiang器qi件jian連lian接jie起qi來lai，並bing將jiang整zheng個ge鏈lian路lu上shang的de所suo有you器qi件jian信xin號hao通tong過guo單dan個ge隔ge離li端duan口kou順shun序xu移yi出chu。但dan如ru果guo數shu據ju采cai集ji序xu列lie不bu固gu定ding，則ze每mei一yi個geSPI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。

 

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於SPI通信，還會發起ADC轉換(舉例而言)，因yin此ci該gai條tiao線xian路lu還hai必bi須xu具ju有you高gao度du精jing確que的de時shi序xu性xing能neng。在zai很hen多duo部bu署shu中zhong，這zhe就jiu要yao求qiu提ti供gong額e外wai的de隔ge離li通tong道dao，並bing具ju有you與yu時shi鍾zhong通tong道dao相xiang當dang的de速su度du
，以yi保bao留liu時shi序xu。一yi

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(you)半(ban)部(bu)分(fen)所(suo)示(shi)。在(zai)次(ci)級(ji)端(duan)使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)多(duo)路(lu)複(fu)用(yong)器(qi)，而(er)較(jiao)低(di)速(su)度(du)的(de)隔(ge)離(li)選(xuan)擇(ze)線(xian)可(ke)用(yong)來(lai)選(xuan)擇(ze)目(mu)標(biao)。必(bi)須(xu)謹(jin)慎(shen)切(qie)換(huan)多(duo)路(lu)複(fu)用(yong)控(kong)製(zhi)線(xian)，以(yi)防(fang)它(ta)們(men)在(zai)時(shi)序(xu)略(lve)為(wei)失(shi)配(pei)時(shi)躍(yue)遷(qian)至(zhi)不(bu)正(zheng)確(que)的(de)中(zhong)間(jian)狀(zhuang)態(tai)。該(gai)方(fang)案(an)采(cai)用(yong)SPIsolator器(qi)件(jian)所(suo)提(ti)供(gong)的(de)低(di)速(su)通(tong)道(dao)實(shi)現(xian)，並(bing)且(qie)由(you)於(yu)應(ying)用(yong)定(ding)義(yi)良(liang)好(hao)，因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)內(nei)部(bu)構(gou)建(jian)對(dui)於(yu)不(bu)確(que)定(ding)狀(zhuang)態(tai)的(de)保(bao)護(hu)，防(fang)止(zhi)小(xiao)的(de)時(shi)序(xu)誤(wu)差(cha)造(zao)成(cheng)瞬(shun)時(shi)輸(shu)出(chu)狀(zhuang)態(tai)。

 

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於容易部署、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、使用數字隔離器的同一款方案
、使用SPIsolator集成式多路複用器功能的方案。光耦合器解決方案尺寸最大

，數字隔離器尺寸是前者的72%

，而SPIsolator僅占PCB尺寸麵積的36%。三個解決方案的成本對比也和麵積類似，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產品係列可以通過多路複用控製通道來支持高速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。