荣湃·隔离通信电路的数字隔离器默认电平选型

巧用数字隔离器默认电平，降低工控通讯电路待机功耗

随着工业控制自动化、智能化技术持续迭代，工控设备、智能终端在低负载以及待机工况下的功耗表现，越来越受到整个行业的重视，也逐步成为评判一款产品能效水平与技术实力的核心指标。

在国家 “双碳” 目标与绿色制造理念的大背景下，降低待机功耗，不仅能够帮助企业减少设备运行成本，更是响应节能环保政策、提升产品市场竞争力的重要抓手。展望行业发展，伴随各类能效法规标准不断收紧，市场对于设备可持续运行能力的要求持续提升，低待机功耗设计，必将成为工控与智能终端领域的重要发展方向。

数字隔离器广泛应用于各类工业通讯链路，为了规避输入侧掉电后，另一侧输出端口电平不确定引发的通讯故障，几乎所有数字隔离器都搭载默认电平功能，可根据器件选型配置为默认高电平或者默认低电平。

器件的功耗特性和默认电平直接相关：当隔离器输入电平与芯片设定的默认电平保持一致时，器件电流消耗最低；一旦输入电平与默认电平相反，工作电流就会随之上升。

作为通讯链路不可或缺的隔离器件，数字隔离器即便在设备待机阶段也需要维持工作，时刻待命准备数据传输，会持续产生功耗。我们可以通过合理选型，配合少量外围辅助电路，大幅削减通讯空闲状态下隔离器的电流损耗。本文将围绕 UART、CAN、SPI、RS‑485 四种主流工业通讯协议，讲解数字隔离器默认电平的选型思路与电路设计要点。

隔离式 UART 通讯：优先选择默认高电平隔离器

UART 协议定义，数据帧起始位为逻辑 0（低电平），停止位为 1‑2 位逻辑 1（高电平）。在没有数据收发的空闲状态，收发信号线需要稳定维持高电平，只有在发起传输时，电平才会被拉低。

因此在使用数字隔离器做 UART 物理层信号隔离时，应当选用默认输出高电平的芯片，适配总线空闲电平要求，以此降低空闲工况的静态电流；

推荐型号：Pai122M41‑SR。

图 1 隔离式 UART 通讯电路示意图

隔离式 CAN 通讯：匹配总线空闲状态，选用默认高电平器件

依据 ISO11898 标准，CAN 总线差分电压小于 0.5V 代表总线处于隐性状态；隐性状态持续时长超过 11 位，即判定总线空闲。

翻阅通用 CAN 收发器真值表可以发现：当 CANH、CANL 全部处于隐性状态时，收发器的 TXD、RXD 引脚输出均为高电平。数字隔离器布置在 MCU 与 CAN 收发器中间，隔离器输出端的默认电平，必须和 CAN 收发器空闲电平相匹配。

针对隔离 CAN 通讯电路，建议选用默认电平为高电平的数字隔离器；

推荐型号：Pai122M61‑W5R

图 2 隔离式 CAN 通讯电路示意图

隔离式 SPI 通讯：依据 CPOL/CPHA 参数灵活选型

SPI 串行外设接口的工况相对复杂，时钟信号线 SCK 的空闲电平，由时钟极性 CPOL、时钟相位 CPHA 两组参数共同决定：

• CPOL=0：时钟空闲状态为低电平；CPOL=1：时钟空闲状态为高电平

• CPHA=0：时钟第一个边沿完成信号采样；CPHA=1：时钟第二个边沿完成信号采样

两组参数两两组合，一共形成 4 种 SPI 工作模式。除此之外，SPI 的片选 CS 信号大多为低电平有效。实际项目中，需要结合 SPI 具体工作模式，确认 SCK、CS 空闲电平，再对应挑选匹配默认电平的数字隔离器。

图 3 隔离式 SPI 通讯电路示意图

隔离式 RS‑485 通讯：电平冲突的解决思路

半双工 RS‑485 网络中，每一个节点都需要独立控制收发器的接收使能 RE、发送使能 DE 引脚，以此完成数据收发。

总线空闲、节点无需向外发送报文的时候，必须将 RS‑485 收发器 A、B 总线引脚置为高阻态，切换至总线侦听模式，防止抢占总线，干扰网络内其他节点通信。

总线空闲隐性状态下，RS‑485 收发器 RXD 引脚输出高电平，向 MCU 反馈总线空闲状态；收发器 TXD 输入引脚内部自带上拉，默认电平为高。

从信号逻辑来看：控制 RE、DE 的使能信号，理想默认电平为低；而数据收发通道 TXD、RXD，理想默认电平为高。这里就出现了选型矛盾：

• 如果选择默认低电平隔离器，会有多个通道在总线空闲时处于电平不匹配状态，抬升整机静态电流；

• 如果全部选用默认高电平隔离器，会出现一种风险工况：MCU 侧电源 VMCU 断电，但 485 侧电源 V485 依旧上电，此时 RE、DE 被置为高，收发器持续抢占总线，直接造成整段总线通讯异常。

针对这一电平冲突问题，简单有效的方案是：在数字隔离器输出端与 RS‑485 收发器使能引脚之间，增加一级电位反相电路。

图 4 隔离式 RS‑485 通讯电路示意图

对比传统隔离 RS‑485 电路，采用 Pai131S71R 方案的电路，在 RE、DE 控制信号通路，增加了由上拉电阻与下拉三极管搭建的反相电路。

当 VMCU 断电，V485 正常供电时，隔离器 VOA 输出高电平，三极管导通，直接把 RE、DE 拉至低电平，485 总线 A/B 引脚进入高阻态，规避总线占用风险；与此同时，数据通道 VIC、VOB 输出高电平，与隔离器自身默认电平保持一致，把空闲功耗控制到最低。

反相电路的上拉电阻阻值，可以结合实际通讯速率做优化，进一步压低回路电流。

图 5 使用 Pai131S70R 进行隔离的 RS‑485 通讯电路

图 6 使用 Pai131S71R 进行隔离的 RS‑485 通讯电路

写在最后

不同工业通讯协议，对总线空闲电平的要求各不相同，对应数字隔离器也需要匹配不一样的默认输出电平。

对比传统光耦方案，数字隔离器具备传输速率高、信号延迟小、静态功耗更低的综合优势。虽然器件出厂默认电平固定，但工程师完全可以通过合理选型，搭配少量外围辅助电路，有效降低隔离通讯回路的静态功耗，减小整机待机电流，为工控设备实现绿色节能设计提供可行路径。

未来，为鼎将继续携手荣湃带来更多更好的产品和更高效的服务！