数字隔离器输出并联电平异常的原因与解决方案
文章来源：纳芯微电子
在工业系统SPI一主多从通信架构中，为了节省IO资源，数字隔离器输出通道的并行复用是一种常见的设计。但在实际应用中，很容易出现电平无法正常上拉/下拉的异常问题，严重影响通信的稳定性。本文首先梳理了工业系统的主流通信方式以及SPI隔离的应用场景，深入分析了数字隔离器输出并联导致电平异常的核心原因。然后提供了两种经过实测验证的解决方案（CS反向使能电路、软件配置的二极管反向阻断），并明确了实现过程中的关键注意事项，为工程师解决类似SPI隔离通信问题提供直接参考。
01工业系统常见通信方式通讯接口是硬件系统中进行数据交换的核心模块。常分为内部通信接口（板级通信）和外部通信接口（外部通信），如图1所示。不同接口在速度、距离、复杂度等方面各有特点，是Nanocore产品的主要应用场景之一。
图1 单板级通信与外部通信
板级通信板级通信是设备内部组件之间的通信。它通常具有速度快、距离短的特点。常用的有UART、I2C、SPI、单总线等，具体参数如表1所示：
表1 板级通信具体参数
对外通信外部通信是设备级信号传输，用于实现设备之间的数据交互。它大多采用差分传输方式，具有传输距离远的优点。常见类型有RS-232、RS-485、CAN等，具体参数如下表所示：
表2 外部通讯具体参数
02隔离SPI机会点SPI 代表串行外设接口。它是摩托罗拉公司开发的一种同步、全双工、主从串行通信总线，可以实现一主多从通信连接。
在硬件连接方式上，SPI常用4线制（SCK、MOSI、MISO、CS/SS）。各信号线的传输方向及功能说明如下表3所示：
表3 各SPI信号线的传输方向及功能
在SPI一主多从通信拓扑中，MOSI、MISO、SCK往往采用复用接口来节省IO资源，并通过独立的CS/SS实现从机选择。如图2所示。
图2 SPI一主多从基本拓扑
在工业系统中，MCU的高压域和低压域之间需要通信隔离。纳米芯微隔离器NSI8241W（3正1负）适用于SPI信号隔离。对于一主一从的隔离方式，4个通道一一匹配（3个正向通道对应SCK、MOSI、CS/SS，1个反向通道对应MISO）。对于一主多从的拓扑，通道也会被复用以节省IO资源，如图3所示。
图3 带数字隔离器的SPI主多从拓扑
03数字隔离器输出并联问题及解决方案当数字隔离器隔离SPI复用通道进行实际测试时，会发现复用MISO会出现电平异常。当一个输入为高电平而另一个输入为低电平时，MISO 无法完全拉高或拉低。如图4所示，两个8241 Out端口复用，输入分别给高低，MISO波形。
图4
Vdd1=Vdd2=5.25V，IND1为高电平，IND2为低电平
黄色输出D1=蓝色输出D22.5V
数字隔离器Out内部有推挽输出：输入高电平时，推挽上管导通，输出高电平；当输入为低电平时，推挽下管导通，输出低电平。当输入高低电平时，会形成分压电路，导致MISO电平异常，如图5所示。这显然与SPI中规定的MISO复用冲突（当SS拉低使能时，从机输出配置为推挽输出，当SS拉高时，需要将从机输出配置为高阻状态，防止多路输出造成电平冲突）。
图5 数字隔离器内部分压电路
检查NSI8241真值表（如图6所示）。当EN拉低时，数字隔离器可以输出高配置，可以满足SPI复用要求。因此，我们给出如下电路调整方案来实现数字隔离器输出端口的并行复用要求。
图6 NSI241真值表
方案1CS 处增加反向电路，同步使能数字隔离器在CS处添加反向电路（NPN、PNP、反相器等，需要考虑Vce压降），同步使能数字隔离器。当CS被拉高禁用时，数字隔离器EN被拉低禁用，Out复用输出为高电平，如图7和图8所示：
图7 CS反接EN电路（NPN示例，多通道片选）
图8 双向CS和EN复用
选项2
二极管反向阻断+软件配置实现并行复用
通过二极管进行反向阻断，并通过合理的软件配置对数字隔离器输出进行并联复用，如图9和图10所示：
图9
未芯片选择的从机IND 始终为低电平
图10
非片选从机的IND始终为高
但需要注意的是：
（1）需要添加上拉和下拉电阻，明确默认电平，满足信号上升沿和下降沿的时间要求；
(2)需要考虑二极管压降对电平幅度的影响，避免压降导致通信误判；
(3) 当一个输出通道从高电平切换到低电平时，由于寄生参数的影响，另一通道的电流可能会暂时流过二极管。注意由此产生的电压尖峰问题。
结论与建议在工业SPI一主多从隔离通信场景中，数字隔离器输出通道并行复用是节省IO资源的常用方案。但由于隔离器内部推挽输出结构，直接并联很容易导致电平异常。本文通过分析异常的核心原因，提供了两种经过实测验证的解决方案（CS反向使能电路、二极管反向阻断+软件配置），并明确了实施过程中的关键注意事项。在实际设计中，工程师可以根据项目需求选择合适的方案，避免电平异常问题，保证SPI通信的稳定性。
高可靠性四通道数字隔离器NSI824x已通过UL1577安全认证，支持3kVrms-8kVrms多级绝缘电压，并在低功耗下提供高电磁抗扰度和低辐射。数据速率高达150Mbps，共模瞬态抗扰度为250kV/s。支持数字通道方向和输入断电默认输出电平配置。宽电源电压可直接适应大多数数字接口，简化电平转换；高系统级EMC性能进一步提高了可靠性和稳定性。欲了解更多产品信息和技术数据，请访问www.novosns.com。
纳芯微电子（简称纳芯微电子，科创板股票代码688052）是一家高性能、高可靠性的模拟与混合信号芯片公司。公司自2013年成立以来，专注于传感器、信号链、电源管理三大方向，为汽车、工业、信息通信、消费电子领域提供广泛的半导体产品和解决方案。
纳芯微以“感知”、“驱动”未来，构建绿色、智能、互联的“芯”世界为使命，致力于为数字世界与现实世界的连接提供芯片级解决方案。
