串行外設接口 (SPI) 是一種設備間總線協議，可在主設備和多個從設備之一之間提供快速、同步和全雙工通信。主設備(例如 MCU 或 FPGA)驅動時鐘并選擇從設備(例如 ADC 或數字輸出驅動器)進行尋址。

每個 SPI 設備都包含一個移位寄存器和控制電路，因此所選設備可以同時發送和接收信號。SPI通信中使用了四種信號，如圖1所示：

? SCLK： 所有設備使用的同步時鐘。主機驅動這個時鐘，從機接收它。請注意，SCLK 可以被門控，不需要在 SPI 事務之間驅動。

? MOSI： 主輸出，從屬輸入。也稱為主站上的 DO 或從站上的 DI。這是主機驅動到 SPI 總線上所有從機的主要數據線。只有選定的從機時鐘來自 MOSI 的數據。

? MISO： 主輸入，從輸出。在主設備上也稱為 DI，在從設備上也稱為 DO。這是由所選從設備驅動到主設備的主數據線。只有選定的從機可以驅動該信號。

? CS： 片選。該信號對每個從站都是唯一的。激活時(通常為低電平)，所選從機必須根據 SCLK 轉換驅動 MISO。

圖 1：主從 SPI 連接。

隔離設計挑戰

對于許多工業控制應用，數字處理器內核 (MCU) 和 I/O 模塊設備之間的通信路徑必須隔離。隔離有助于最大限度地減少噪聲和接地回路問題。此外，它還為昂貴的控制單元(如 MCU 和 FPGA)提供保護。

傳統的信號隔離方法是使用光耦合器。然而，一些缺點使光耦合器不適用于現代高速 SPI 數據傳輸應用。光耦合器體積龐大，會引入較長的傳播延遲，并導致高功耗。因此，更小的 CMOS 電容數字隔離芯片現在已經取代了光耦合器。

然而，使用數字隔離器本身并不是靈丹妙藥。為了使數字隔離器有效地用于高速 SPI 通信，它們必須滿足幾個具有挑戰性的電壓和時序參數。

通常，隔離器的模擬域和數字域中的電壓處于不同的水平。因此，要使隔離器有效，它必須能夠在模擬和數字域中的寬電壓范圍內工作。

此外，由于 SPI 是事實上的 標準而不是正式的標準，因此沒有明確定義的時鐘頻率。盡管許多傳統設備可能使用 5–10 MHz 范圍內的時鐘頻率，但較新的設備具有更快的數據傳輸要求，使用 50 和 75 MHz 之間的時鐘頻率。有效的隔離器必須能夠在如此寬的 SPI 頻率范圍內工作。

通過在主設備和從設備之間放置一個數字隔離器，會為 SPI 總線創建額外的信號延遲。主機使用時鐘上升沿發送數據，下降沿采樣從機發回的數據。

因此系統設計人員需要檢查時序預算，以確保隔離器傳播延遲不違反主控對采樣 MISO 的時序要求。否則，主設備將失去同步或在接收和發送的數據中引入錯誤，如圖2所示。

圖 2：由于隔離器延遲導致的時序失配。

單個數字隔離器部件可能包含多個隔離通道——通常在 1 到 4 個之間。因此，隔離器通道之間的延遲匹配至關重要。否則，可能會引入傳播延遲偏斜。因此，在例如時鐘通過隔離器的一個通道傳輸而數據通過另一個通道傳輸的情況下，這一點至關重要。

最后，在電路中添加數字隔離器將不可避免地導致電流消耗增加。有效的隔離器不應過多地增加功率預算，以避免在小型外殼中散熱。

解決電壓和時序問題

以 FPGA 和 ADC 之間的典型隔離高速 SPI 通信電路為例，如圖 3 所示。ADC 使用兩個數字隔離器與 FPGA 隔離。SCLK 將來自 FPGA 的數據 (MOSI) 提供給 ADC。在 ADC 的輸入端，隔離 SCLK 表示為 CLK，隔離 MOSI 表示為 DIN。

圖 3：典型的高速 SPI 隔離電路。

在低速 SPI 通信期間，主時鐘還用于為反向傳輸的數據 (MISO) 提供時鐘。為了補償主時鐘 (SCLK) 已經被正向隔離延遲的事實，當從 ADC 到 FPGA 的反向時鐘數據時，會返回 CLK 的副本(隔離的 SCLK) . 它確保 CLK 和 DOUT 的時序在它們被隔離并分別作為 RETURN_SCLK 和 MISO 到達 FPGA 時仍然同步。

因此，要使這種安排成功，必須不僅具有低隔離器傳播延遲和低通道間偏移，而且還具有低部件間偏移。因此，CMOS 數字隔離器應專門設計為滿足這些要求，并確保電路布置能夠成功實現，以在高速 SPI 通信中提供隔離(圖 4)。

圖 4：時鐘返回主機的時序。

圖 3所示的 MAX14934/35/36 和 MAX12930/31 系列數字隔離器 基于 Maxim 專有的電容隔離技術。它們提供高隔離電壓保護(高達 5 kV rms)，同時還支持高達 150 Mbps 的數據速率。這些器件在寬電源電壓范圍(1.71 V 至 5.5 V)內工作，典型傳播延遲為 5 ns(最大值為 7.5 ns)。

1 ns 的最大脈沖寬度失真——加上 0.9 ns 的最大通道間偏移和 3 ns 的最大部件間偏移——確保在高速 SPI 通信電路中可靠運行。此外，通過提供四通道 (MAX14934/35/36) 和雙通道 (MAX12930/31) 選項，這些數字隔離器還可用于可編程邏輯控制器 (PLC)、電信和醫療儀器應用。

審核編輯：湯梓紅