光耦隔离对SPI通讯方式影响的研究

2019-11-08陶敬荣蒋梦影

数字通信世界 2019年10期

陶敬荣，蒋梦影

（浙江八达电子仪表有限公司，金华 321018）

SPI是一种高速的，全双工、同步的通信总线，且在芯片的管脚上最多只占用四根线，节约了芯片的管脚，且主从设备通信时都是使用主设备提供的时钟信号，通讯可靠，如今越来越多的芯片集成了这种通信协议。在一些需要隔离的电路中进行SPI通信时，使用光耦对信号进行隔离，是目前可靠且经济有效的一种方式。但是在实际应用中，由于光耦的传输延时大、电流传输比CTR值较离散及光耦内的发光二级管发光强度会减弱等原因，会造成难以预料的故障及隐患，也易造成难以挽回的经济损失。对此，探讨光耦隔离方式对SPI通信的影响有着重要意义。

1 光耦传输延时对SPI通信的影响

下面以SPI的时钟波形为例，简要分析光耦的延时特性对SPI通信的影响，见图1：R35=1KΩ，R24=1KΩ，室温条件测试，图样中使用的光电耦合器型号为台湾地区某品牌的EL816D，电流传输比（简称CTR值）为300%-600%档。图1中DVDD和VDD均为5V，光耦的Vf约为1.2V，可以算出，IF=（5V-1.2V）/1K=3.8mA，Ic≈5V/1k=5mA，实际Ic/If=5mA/3.8mA=132%。从图2中可以看出：在常温条件下，光耦输出端MCLK信号比输入端METERICCLK信号延时了约40us，即光耦的关断延时时间Toff约为40us（示波器中上升延时），而光耦的导通延时Ton（示波器中下降延时）则小得多，相较于Toff的延时几乎可以忽略不计。在高温环境下，光耦的Toff值更大。当采用光耦隔离进行SPI通信时，SCLK和MISO信号的光耦延时进行了叠加，导致SPI通信速率难以提高的主要因素是光耦的关断延时时间Toff。在无隔离条件下，SPI通信速率最高可以达到10Mb/s；而采用了光耦进行隔离后，由于受光耦的关断延时时间Toff的影响，SPI的通信速率只能降到几Kb/s；只能达到最高速率的千分之一左右。

图1 （CLK信号的隔离原理图）

图2 通道1（黄色）METERICCLK 的波形；通道3（紫色） MCLK信号波形

2 光耦的CTR值衰减是产品寿命的重要考量因素

由于光耦是通过光进行信号传递，光耦内部的LED发光强度会随着长时间工作而逐步降低，光耦的工作电流越大，环境温度越高，使用寿命就越短，在25摄氏度条件下，If=5mA时，CTR值下降20%需要350000小时，而If=10mA时，CTR值下降20%只需要100000小时；光耦工作在10mA时的寿命只有在5mA寿命的三分之一。在55摄氏度环境下，光耦工作在10mA时，CTR值下降20%只需要40000小时；使用寿命只是常温环境的40%。因此，采用光耦对SPI信号进行隔离传输时，要充分考虑光耦CTR衰减对产品使用寿命的影响，这种影响是极其隐蔽和有害的，也往往被产品设计人员所忽视。

3 减小光耦对SPI通信影响的主要措施

（1）选择合适的电流传输比CTR值，可有效降低光耦的延时时间，当图1中的R24取值2K时，If=（5V-1.2V）/1K=3.8mA，Ic≈5V/2k=2.5mA，Ic/If=76%。光耦的关断延时时间Toff约为20us，降低了一半。因此，给电路匹配一个合适的参数，可以有效降低Toff值，从而提高SPI的通信速率。

（2）根据光耦的延时特性，通过调整SCLK信号的占空比，可以有效提高SPI的通信速率和产品可靠性。由于惯性思维，设计人员往往将信号的占空比设置为50%，即信号的高电平和低电平持续时间一致。由于光耦对信号的延时主要是由于Toff值的影响，而导通延时Ton相对于Toff延时几乎可以忽略。如下图所示，通过提高信号的占空比，在SPI传输波特率保持不变的情况下，通过减少低电平的持续时间来延长高电平持续时间，用以抵消光耦Toff延时时间，在不降低SPI通信速率的情况下，可以有效减少光耦Toff值对SPI通信的影响，从而有效的提高了SPI通信的可靠性。