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)；wuxinhaokuayuegelizhajinxingshuruyinjiaozhiliuzhuangtaitongxin，qiebianyanchuanshuqianqidongzhuangtaikenengbupipeishurushuju。weilejiejuezhegewenti
，bianyanbianmafangancaiyonglemouzhongxingshide“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。

 

在(zai)該(gai)波(bo)形(xing)上(shang)，哪(na)怕(pa)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)未(wei)在(zai)上(shang)升(sheng)沿(yan)和(he)下(xia)降(jiang)沿(yan)之(zhi)間(jian)轉(zhuan)換(huan)
，多(duo)個(ge)編(bian)碼(ma)上(shang)升(sheng)轉(zhuan)換(huan)也(ye)會(hui)跨(kua)越(yue)隔(ge)離(li)柵(zha)傳(chuan)輸(shu)，以(yi)便(bian)刷(shua)新(xin)接(jie)收(shou)器(qi)狀(zhuang)態(tai)並(bing)確(que)保(bao)接(jie)收(shou)器(qi)處(chu)於(yu)高(gao)電(dian)平(ping)狀(zhuang)態(tai)。顯(xian)然(ran)，除(chu)了(le)確(que)保(bao)上(shang)電(dian)時(shi)具(ju)有(you)正(zheng)確(que)的(de)輸(shu)出(chu)狀(zhuang)態(tai)，刷(shua)新(xin)電(dian)路(lu)還(hai)有(you)助(zhu)於(yu)校(xiao)正(zheng)輸(shu)出(chu)狀(zhuang)態(tai)(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1中zhong的de波bo形xing可ke知zhi，輸shu入ru轉zhuan換huan和he刷shua新xin信xin號hao均jun通tong過guo同tong樣yang的de隔ge離li通tong道dao傳chuan輸shu，但dan時shi間jian獨du立li。輸shu入ru信xin號hao完wan全quan異yi步bu於yu內nei部bu刷shua新xin生sheng成cheng電dian路lu
，因yin而er刷shua新xin上shang一yi次ci轉zhuan換huan傳chuan輸shu的de同tong時shi可ke能neng發fa生sheng輸shu入ru轉zhuan換huan。這zhe可ke能neng會hui在zai接jie收shou器qi端duan損sun害hai時shi序xu，導dao致zhi邏luo輯ji錯cuo誤wu。為wei了le避bi免mian這zhe種zhong時shi序xu衝chong突tu錯cuo誤wu，會hui要yao求qiu刷shua新xin電dian路lu的de信xin號hao路lu徑jing增zeng加jia一yi定ding的de“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。

 

幸(xing)運(yun)的(de)是(shi)


，這(zhe)種(zhong)限(xian)製(zhi)是(shi)可(ke)以(yi)解(jie)決(jue)的(de)。如(ru)果(guo)輸(shu)入(ru)轉(zhuan)換(huan)和(he)刷(shua)新(xin)狀(zhuang)態(tai)通(tong)過(guo)不(bu)同(tong)的(de)隔(ge)離(li)元(yuan)件(jian)傳(chuan)輸(shu)
，並(bing)且(qie)隨(sui)後(hou)在(zai)輸(shu)出(chu)端(duan)彙(hui)合(he)，則(ze)無(wu)需(xu)任(ren)何(he)預(yu)判(pan)延(yan)遲(chi)
，且(qie)伴(ban)隨(sui)著(zhe)時(shi)序(xu)性(xing)能(neng)的(de)下(xia)降(jiang)。將(jiang)此(ci)構(gou)想(xiang)擴(kuo)展(zhan)至(zhi)多(duo)通(tong)道(dao)隔(ge)離(li)器(qi)
，則(ze)所(suo)有(you)通(tong)道(dao)的(de)刷(shua)新(xin)狀(zhuang)態(tai)可(ke)在(zai)單(dan)個(ge)隔(ge)離(li)通(tong)道(dao)內(nei)時(shi)間(jian)多(duo)路(lu)複(fu)用(yong)
，然(ran)後(hou)解(jie)複(fu)用(yong)並(bing)與(yu)相(xiang)應(ying)輸(shu)出(chu)合(he)並(bing)。基(ji)本(ben)上(shang)，輸(shu)入(ru)狀(zhuang)態(tai)經(jing)采(cai)樣(yang)、fengzhuanghou
，yichuanxingfangshikuayuegelizhachuanshu。jieshouqichixugenzongshuruzhiliuzhuangtai
，ranhougenjushurubaochifeihuodongdeshijianjuedingshiyongzhiliuzhuangtaihuoshizuihouyicishuruzhuanhuanlaigengxinshuchu。youyujinyouyigeewaideshuzigeliqitongdaodazaiquanbushuaxinzhuangtai，yincikeyishifangsuoyoushurutongdaodeyupanyanchi，bingshiqijindazaishurukaiguanxinxi，congerdafugaishanchuanboyanchi。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SPIzongxianbushu。ewaidegeliqitongdaodazaishuaxinxinxi，bingtongguojiangshujushijianduolufuyongzhikuayuegelizhalaihuichuanshudeshujubaozhong，shixianchuanshugezhongqitadituntulvxinhaodeewaiyongtu。zheyangkeyishixianchuSPI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(da)2.6 μs
，jutiqujueyutongdaoshuruheshigenjuneibucaiyangshizhongqiehuan。duiyibufuzhuxinhaojinxingcaiyanghechuanxinghuahainengjiangqiyuneibucaiyangshizhongtongbu。ruguomanxinhaozhijianjuyoujingquedeshixuhenzhongyao，namezhekenengdaozhishixuwenti，duiyu1.2 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。

 

以(yi)混(hun)合(he)速(su)度(du)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)為(wei)基(ji)準(zhun)

，很(hen)多(duo)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)會(hui)試(shi)圖(tu)將(jiang)標(biao)準(zhun)數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)器(qi)與(yu)成(cheng)本(ben)極(ji)低(di)的(de)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)組(zu)合(he)，並(bing)以(yi)為(wei)那(na)就(jiu)是(shi)性(xing)價(jia)比(bi)最(zui)高(gao)的(de)低(di)速(su)信(xin)號(hao)采(cai)樣(yang)實(shi)現(xian)方(fang)法(fa)。解(jie)決(jue)方(fang)案(an)之(zhi)間(jian)很(hen)大(da)一(yi)部(bu)分(fen)的(de)差(cha)異(yi)是(shi)因(yin)為(wei)數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)器(qi)允(yun)許(xu)在(zai)單(dan)個(ge)封(feng)裝(zhuang)內(nei)混(hun)合(he)通(tong)道(dao)方(fang)向(xiang)，避(bi)免(mian)了(le)大(da)量(liang)的(de)封(feng)裝(zhuang)開(kai)銷(xiao)。混(hun)合(he)技(ji)術(shu)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)可(ke)能(neng)具(ju)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)性(xing)價(jia)比(bi)，但(dan)額(e)外(wai)犧(xi)牲(sheng)了(le)設(she)計(ji)時(shi)間(jian)，並(bing)產(chan)生(sheng)穩(wen)定(ding)性(xing)問(wen)題(ti)。廉(lian)價(jia)的(de)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)速(su)度(du)很(hen)慢(man)


，且(qie)由(you)於(yu)結(jie)構(gou)簡(jian)單(dan)而(er)需(xu)要(yao)細(xi)研(yan)究(jiu)考(kao)量(liang)才(cai)能(neng)成(cheng)功(gong)完(wan)成(cheng)設(she)計(ji)。必(bi)須(xu)非(fei)常(chang)仔(zai)細(xi)確(que)保(bao)它(ta)們(men)隨(sui)時(shi)間(jian)和(he)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)，同(tong)時(shi)盡(jin)可(ke)能(neng)降(jiang)低(di)功(gong)耗(hao)。

 

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

、wuxuzhanyongewaidedianlubankongjian。jichengshijiejuefangandedisutongdaohaizhichiyuangaoyudangejingtiguanguangouheqideshujusulv。jichengshijiejuefangandechengbenyuandiyuguangouheqijiejuefangandeyiban，bingqiexiangbifenlishiguangouheqimeitongdaojuyougengdidedisutongdaochengben。kaolvdaoSPI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(ge)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。

 

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)，yincigaitiaoxianluhaibixujuyougaodujingquedeshixuxingneng。zaihenduobushuzhong，zhejiuyaoqiutigongewaidegelitongdao

，bingjuyouyushizhongtongdaoxiangdangdesudu，yibaoliushixu。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6youbanbufensuoshi。zaicijiduanshiyongyigeduolufuyongqi
，erjiaodisududegelixuanzexiankeyonglaixuanzemubiao。bixujinshenqiehuanduolufuyongkongzhixian
，yifangtamenzaishixulveweishipeishiyueqianzhibuzhengquedezhongjianzhuangtai。gaifangancaiyongSPIsolator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。