实现ADM3251E与3.3V系统的RS-232接口隔离

实现ADM3251E与3.3V系统的RS-232接口隔离

作者：晶圆技术部

随着对处理速度及功耗的需求增长，控制芯片越来越趋向于小体积，低功耗。因此其工作所需的电源电压也降低至3.3V，甚至1.8V。这造成了与5V供电的接口芯片连接时，电平不匹配的问题。

RS-232总线标准是最常见的串行通信总线标准之一，主要应用于系统间的通信连接。在一些应用领域，RS-232接口的隔离防护是必须的，ADI公司基于iCoupler磁隔离技术的隔离型RS-232接口收发器ADM3251E，内部集成DC-DC隔离电源，信号隔离通道及RS-232收发器，接口带有±15KV的ESD保护和25KV/us的共模抑制能力，非常适于工作在苛刻的电气环境或频繁插拔RS-232电缆的环境中。

ADM3251E的出现替代了之前的光耦隔离方案，减少PCB面积，提高接口稳定性且降低了成本。由于其内部集成有DC-DC隔离电源，因此无需外部分立的DC-DC隔离电源模块供电，提供了单芯片的RS-232接口隔离方案。但值得注意的是，ADM3251E的电源输入引脚VCC，只有在5V输入电压时，才能使芯片内部的DC-DC隔离电源有效，当VCC采用3.3V供电时，芯片内部DC-DC隔离电源无效，此时需要我们外接分立的DC-DC隔离电源模块供电。

由于ADM3251E的输入侧Tin引脚是CMOS结构，其输入电压范围是：高电平不低于0.7VCC，低电平不高于0.3VCC，即当5V供电时，输入高电平需高于3.5V，输入低电平需低于1.5V。下面是我搜集的几种简单的电平转换电路，以方便3.3V的控制信号与5V供电的ADM3251E通信。

3.3V信号转5V信号

1、采用MOSFET
如图1所示，电路由一个N沟道FET和一个上拉电阻构成。在选择R1的阻值时，需要考虑输入的开关速度和R1上的电流消耗。当R1值较小时，可以提高输入开关速度，获取更短的开关时间，但却增大了低电平时R1上的电流消耗。




图1，采用MOSFET实现3V至5V电平转换

2、采用二极管钳位
如图2所示，由于3.3V信号的低电平一般不高于0.5V，当3.3V系统输出低电平时，由于D1的钳位作用，使得5V输出端会得到0.7V~1.2V的低电压，低于ADM3251E的最高不超过1.5V的低电平阈值。当3.3V系统输出高电平时，由于D2的钳位作用，使5V输出端会得到约4V的高电平电压，高于ADM3251E的最低不低于3.5V的高电平阈值。




图2，采用二极管实现3V至5V电平转换

3、采用三极管
如图3所示，当3.3V系统高电平信号输入时，Q1导通，Q2截止，在5V输出端得到5V电压。当3.3V系统低电平信号输入时，Q1截止，Q2导通，在5V输出端得到低电平。此电路同样也适用于5V转3V的情况，只要将上拉的电压换成3.3V即可。




图3，采用三极管实现3V至5V电平转换

以上三种方法比较简单，能够很方便的实现电平转换，但对传输速率有一定的限制，对于9600，19200等常用传输速率，使用这些方法没有问题。也可以采用电压比较器、运算放大器或OC门芯片74HC05来实现3V至5V的电平转换。对于高于100K传输速率的应用，我们可采用一些专门的电平转换芯片，如74LVX4245、SN74LVC164245、MAX3370等，但这些芯片价格偏高。当然，我们也可以采用ADUM1201搭配DC-DC隔离电源模块和RS-232收发器的分立隔离方案，ADUM1201不但能对信号进行隔离，还能够在隔离信号的同时方便的实现3V至5V的电平转换。

5V信号转3.3V信号

一些3.3V供电的控制芯片能够承受5V的输入电压，但更多的控制芯片只能接受3.3V的输入信号，因此需要将ADM3251E的Rout引脚输出5V信号转为3.3V电平信号。

1、采用二极管钳位
如图4所示，利用二极管的钳位作用，将5V电平转换为3.3V电平，R1的作用是限流，但串联了限流电阻R1会降低输入开关的速度。采用此电路时，会通过二极管D1向3.3V电源输入电流，如果电流过高可能会使3.3V电源电压超过3.3V。




图4，采用二极管钳位作用实现5V至3V电平转换

2、采用三极管
如图5所示，三极管在此电路中也起到钳位的作用，且不会将电流引入3.3V电源。




图5，采用三极管实现5V至3V电平转换

3、采用电阻分压
如图6所示，这应该是最简单的降低电平的方法。




图6，采用电阻分压实现5V至3V电平转换

以上电路能够方便的实现ADM3251E与3.3V供电的控制系统之间的通信。其整体电路图如图7：




图7，ADM3251E与3.3V系统的通信

图中采用三极管加上拉电阻升压的方法将3.3V的输入信号拉升到5V，输入到ADM3251E的Tin引脚，而ADM3251E的Rout引脚5V输出信号经电阻分压，转换成3.3V信号输入到以3.3V电源工作的控制器中。

需要注意的是，上拉电阻及限流电阻都会不通程度的影响数据传输速率。

ADM3251E外围共需6个电容，2个瓷片104电容，和4个电荷泵电容，泵电容是很重要的，用来稳定RS-232的输出信号，保证足够的升压，因此推荐使用耐压16V，0.1uF的电解电容。

此外，我们也可以选择采用ADUM1201的分立隔离方案，能够在实现信号隔离的同时实现电平的转换，其电路如图8所示：




图8，采用ADUM1201实现3.3V控制系统与5V供电的RS-232收发器的隔离通信

电平转换在目前的数字电路设计中应用的越来越多，ADUM磁隔离芯片能够在隔离信号的同时，方便的实现电平转换，大大节省了设计时间和PCB体积。ADM3251E内部集成DC-DC隔离电源，在5V电源输入的情况下，内部隔离电源工作，在3.3V电源输入情况下，内部隔离电源不工作，需要外接隔离电源供电，当外接隔离电源时，同样可以实现3.3V的输入信号转为RS-232信号输出的功能。
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