CN106992777A - 基于一体化封装的光电隔离式收发器 - Google Patents

基于一体化封装的光电隔离式收发器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于一体化封装的光电隔离式收发器，包括：采用一体化封装的光电隔离驱动单元与光电隔离接收单元，其中，所述光电隔离驱动单元输入端连接驱动信号，其输出端输出第一差分信号；所述光电隔离接收单元连接第二差分信号，将所述第二差分信号转化为单端信号，从而实现了电‑光‑电的转换。本发明采用一体化封装，设计多个腔体多层布线集成各个元器件，其中，所述光电隔离驱动单元与光电隔离接收单元各自对应的光电耦合器单独封装于不同的腔体内，相对于现有的电路结构封装，大大减少了电路封装的尺寸。

Description

基于一体化封装的光电隔离式收发器
技术领域
本发明涉及电子通讯技术领域，更确切的来说涉及一种收发器，特别是涉及一种基于一体化封装的光电隔离式收发器。
背景技术
隔离通讯技术主要有三种：电容隔离、电磁隔离及光电隔离，其中，光电隔离相比其它两种技术由于具有共模抑制比高、抗干扰性能好和响应速度快等特点，从而得到了广泛应用。光电隔离式RS422/485收发器是雷达、电子对抗、数字通信、导弹定位装置等军事电子系统中的关键元器件，完成输入与输出之间的电信号的隔离传输，减小误码率，降低系统对通讯的干扰，其隔离器件性能直接决定了军用电子系统的性能、可靠性和安全性。
然而，现有光电隔离式RS422/485收发器电路通常是采用光电耦合器和RS422/485收发器等分立器件搭建或塑封封装光电隔离式RS422/485电路，这种技术实现方式因封装尺寸大、工作温度范围窄等缺点大大限制了电路的应用场合，尤其是要求器件工作在军温的军用电子系统中。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于一体化封装的光电隔离式收发器，用于解决现有技术中因光电隔离式封装尺寸大，限制了其使用场合的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于一体化封装的光电隔离式收发器，包括：
一体化封装的光电隔离驱动单元与光电隔离接收单元，其中，所述光电隔离驱动单元输入端连接驱动信号，其输出端输出第一差分信号；所述光电隔离接收单元连接第二差分信号，将所述第二差分信号转化为单端信号，从而实现电-光-电的转换。
于本发明的一实施例中，所述光电隔离驱动单元与光电隔离接收单元各自对应的光电耦合器单独封装于不同的腔体内。
于本发明的一实施例中，所述光电隔离驱动单元包括封装于第一腔体的第一光电耦合器，以及封装于第二腔体内的收发模块中的驱动器、第一电阻与第二电阻，其中，所述第一光电耦合器的输入端通过第一电阻连接驱动信号，所述第一光电耦合器的输出端分别连接第二电阻、收发模块的驱动输入端，所述第二电阻的另一端作为上拉电阻连接第一电源。
于本发明的一实施例中，所述第一光电耦合器包括光敏探测芯片、发光二极管，其中，所述发光二极管的阳极端通过第一电阻连接驱动信号，所述发光二极管的阴极端连接第一接地端，所述光敏探测芯片的输出端连接第二电阻、收发模块的驱动输入端，用于检测到光信号转化成电信号输出到驱动单元输入端。
于本发明的一实施例中，所述驱动器的的正向输出端连接收发模块的负向输出端，所述驱动器的负向输出端连接收发模块的正向输出端。
于本发明的一实施例中，所述光电隔离接收单元包括封装于第三腔体的第二光电耦合器，以及封装于第二腔体内的收发模块中的接收器、第三电阻和第四电阻，所述接收器的输出端通过第三电阻连接第二光电耦合器的输入端，所述第二光电耦合器的输出端连接第四电阻，所述第四电阻作为上拉电阻连接至第二电源。
于本发明的一实施例中，所述第二光电耦合器包括光敏探测芯片、发光二极管，其中，所述发光二极管的阳极端通过第三电阻连接收发模块的输出端，所述发光二极管的阴极端连接第二接地端，所述光敏探测芯片的输出端连接第四电阻，用于检测到光信号转化成电信号输出到外接的负载。
于本发明的一实施例中，所述接收器的正向输入端连接收发模块的正向输入端，所述接收器的负向输入端连接收发模块的负向输入端，所述收发模块的接收输出端连接接收器的输出端。
于本发明的一实施例中，还包括封装于第二腔体内的第一电容与第二电容，所述第一电容与第二电容并联后连接第二接地端，其另一端和收发模块的电源端连接第一电源。
于本发明的一实施例中，所述收发器中所选用的电子元器件均满足军用使用环境。
于本发明的一实施例中，所述收发器接口电气特性满足RS422/485接口标准。
于本发明的一实施例中，所述收发器一体化封装的体积为22.35mm×9.35mm×4.1mm。
于本发明的一实施例中，所述收发器一体化封装的工艺为高温共烧陶瓷法，其对应的布线方式为多层布线。
于本发明的一实施例中，所述第一电阻与第二电阻的电阻值范围为50欧姆至4千欧姆。
于本发明的一实施例中，所述第三电阻与第四电阻的电阻值范围为50欧姆至4千欧姆。
于本发明的一实施例中，所述第一电容、第二电容的电容值范围为100皮法至1微法。
如上所述，本发明的于一体化封装的光电隔离式收发器，具有以下有益效果：
本发明采用一体化封装，设计多个腔体多层布线集成各个元器件，其中，所述光电隔离驱动单元与光电隔离接收单元各自对应的光电耦合器单独封装于不同的腔体内，相对于现有的电路结构封装，大大减少了电路封装的尺寸。
附图说明
图1显示为本发明提供的一种基于光电隔离式收发器电路结构示意图；
图2显示为本发明提供的一种基于一体化封装的光电隔离式收发器电路封装结构示意图；
图3显示为本发明提供的一种与传统分立器件搭建电路体积对比示意图；
图4显示为本发明与塑封封装电路驱动器差分输出电压对比示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，本发明提供一种基于光电隔离式收发器电路结构示意图；包括：
一体化封装的光电隔离驱动单元与光电隔离接收单元，其中，所述光电隔离驱动单元输入端连接驱动信号，其输出端输出差分信号(即，第一差分信号)；所述光电隔离接收单元连接差分信号(即，第二差分信号)，将第二差分信号转化为单端信号，从而实现电-光-电的转换。
在本实施例中，在非隔离式RS422/485收发器的驱动单元前端集成光电耦合器，形成光电隔离式的驱动单元，同理，在非隔离式RS422/485收发器的接收单元后端集成光电耦合器，形成光电隔离式的接收单元，其中，所述第一差分信号与第二差分信号相互独立，第一差分信号是驱动输出信号以差分型号输出，输出到外接的负载，第二差分信号为接收的外接差分信号，作为接收单元的输入激励。
所述光电隔离驱动单元与光电隔离接收单元各自对应的光电耦合器单独封装于不同的腔体内。
在本实施例中，通过在非隔离式的收发器中的驱动单元前端集成光电耦合器，以及在接收单元后端集成光电耦合器，其中，所述收发器接口电气特性满足RS422/485接口标准，设计多个腔体多层布线，采用一体化封装集成各个元器件，其中，所述光电隔离驱动单元与光电隔离接收单元各自对应的光电耦合器单独封装于不同的腔体内，即，其它电子元器件可封装于同一腔体，形成三个腔体的一体化封装；或，其它电子元器件不封装于同一腔体，形成不少于三个腔体的一体化封装。然而，由于本发明采用收发器包括RS422/485收发器芯片(即，收发模块U2)，两个光电耦合器以及五个外围的无源器件，电路结构简单，相对于现有的电路结构封装，大大减少了电路封装的尺寸。
具体地，在上述收发器中各个电子元器件中，光电耦合器与RS422/485收发器芯片均选用裸芯片、外围电阻和电容无源器件选用0603和0402封装的片式元件，不仅可减少封装体积，同时，所选用电子元器件能够满足军用使用环境，即满足军温使用范围-55～125摄氏度的要求，扩大了光电隔离式收发器的使用场景，便于推广应用。
具体地，一体化封装各个电子元器件采用高温共烧陶瓷工艺，电路的布局布线采用四层布线，其中，两个信号层、一个电源层和一个地层，且电源层和地层均需分割，旁路电容与收发器芯片的电源端就近布局，将两个相同型号的光电耦合器分别封装于不同腔体中，且该腔体内无其它的无源电子元器件，使得光电耦合器在工作时，保证了信号传输的质量，提高了抗电磁干扰和电绝缘的能力。
相对于现有的采用分立器件搭建方案而言，在其它结构相同情况下，采用一体化封装光电隔离式RS422/485收发器，电路封装体积可减少2～3倍；与塑料封装光电隔离式RS422/485电路方案比较而言，在其它结构相同情况下，基于一体化封装光电隔离式RS422/485收发器提高了电路工作温度范围，可达到-55～125摄氏度的军温使用要求。
如图2所示，为本发明提供的一种基于一体化封装的光电隔离式收发器电路封装结构示意图，详述如下：
本发明中一体化封装包括三个腔体、第一腔体、第二腔体、第三腔体分别对应于图2中的腔体A、腔体B和腔体C。
具体地，所述光电隔离驱动单元包括封装于第一腔体的第一光电耦合器U1，以及封装于第二腔体内的收发模块中的驱动器、第一电阻R1与第二电阻R2，其中，所述第一光电耦合器U1的输入端通过第一电阻R1连接驱动信号，所述第一光电耦合器U1的输出端分别连接第二电阻R2、收发模块的驱动输入端，所述第二电阻R2的另一端作为上拉电阻连接第一电源VCC1。所述第一光电耦合器U1包括光敏探测芯片、发光二极管，其中，所述发光二极管的阳极端通过第一电阻R1连接驱动信号，所述发光二极管的阴极端连接第一接地端，所述光敏探测芯片的输出端连接第二电阻R2、收发模块的驱动输入端，用于检测到光信号转化成电信号输出到驱动器(驱动单元)输入端。所述驱动器的正向输出端连接收发器的负向输出端，所述驱动器的负向输出端连接收发模块的正向输出端，驱动器输出第一差分信号到外接的负载。
具体地，所述光电隔离接收单元包括封装于第三腔体的第二光电耦合器U3，以及封装于第二腔体内的收发模块U2中的接收器、第三电阻R3和第四电阻R4，所述接收器的输出端通过第三电阻R3连接第二光电耦合器U3的输入端，所述第二光电耦合器U3的输出端连接第四电阻R4，所述电阻R4作为上拉电阻连接至第二电源VCC2。其中，所述第二光电耦合器U3包括光敏探测芯片、发光二极管，其中，所述发光二极管的阳极端通过第三电阻R3连接收发器的接收输出端，所述发光二极管的阴极连接第二接地端GND2，所述光敏探测芯片的输出端连接第四电阻R4，用于检测到光信号转化成电信号输出到外接的负载。所述接收器的正向输入端连接收发模块的正向输入端，所述接收器的负向输入端连接收发模块的负向输入端，接收器外接第二差分信号，作为接收单元的输入激励。
在本实施例中，光电隔离式RS422/485收发器的电路工作在4.5～5.5V电源电压，本申请中的电源电压优选为5V，传输的最高速率为2.5Mbps，可实现全双工通信。光电隔离驱动单元的输入端连接的驱动信号DI为LSTTL或TTL信号，要求其驱动能力大于等于5mA，两个光电耦合器(第一光电耦合器U1、第二光电耦合器U3)的输出端为集电极开路输出，本申请中第一光电耦合器U1、第二光电耦合器U3的输出端均对应连接有上拉电阻R2、R4，保证其集电极开路输出可用作电平转换，即通过上拉电阻至不同的电压来实现不同的高电平。本申请中收发器为RS422/485收发器芯片，引出端VE1与VE2分别为高电平有效的光电耦合器的使能端，当它们为高电平时，光电耦合器工作；当驱动信号DI为低电平时，第一光电耦合器U1的发光二极管截止，驱动器负输出端OUTD-为高电平，驱动器正输出端OUTD+为低电平；当驱动信号DI为高电平时，第一光电耦合器U1的发光二极管导通，驱动器负输出端OUTD-为低电平，驱动器正输出端OUTD+为高电平。对应的两种差分驱动输出信号OUTD+和OUTD-之间差分电平为1.5～5V，共模电平≤3V，此时，该收发器的工作状态为隔离驱动。光电隔离接收单元即在光电隔离式RS422/485收发器中差分接收信号INB-与INB+输入共模电范围为-7V～12V，差分信号阈值为200mV。当接收器差分输入端((INA+)-(INB-))≥200mV，接收器输出端ROUT为高电平3.5～5V，当接收器差分输入端((INA+)-(INB-))≤200mV，接收器输出端ROUT为低电平0V～0.8V，此时，该收发器的工作状态为隔离接收。
作为本方案的优选实施例，所述第一电源V1的电压为5V，驱动信号DI低电平为0～0.8V，其高电平为2～5V，接收端A(其连接接收器差分输入端INA+)与接收端B(其连接连接接收器差分输入端INB-)的输入电压范围为-7V～12V，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3与第四电阻R4的电阻值范围为50～4000欧姆，其中，第一电阻R1和第三电阻R3为偏置电阻，第二电阻R2与第四电阻R4为上拉电阻，第一电容C1与第二电容C2的电容值范围为100pF～1.0μF，为RS422/485收发器芯片电源端提供适度的旁路电容，保证该芯片正常工作。
另外，一体化封装的光电隔离式收发器中光电隔离驱动单元与光电隔离接收单元的工作原理如下：
当驱动信号DI为低电平时，第一光电耦合器U1的发光二极管截止，此时第一光电耦合器U1输出为高电平，因其输出级为一个集电极开路结构，高电平的幅度由选择的上拉电阻R2的阻值大小确定，高电平信号通过RS422/485收发器驱动输入端IND进入驱动单元后，差分驱动信号-驱动器负输出端OUTD-为高电平，驱动器正输出端OUTD+为低电平；当驱动输入信号DI为高电平时，第一光电耦合器U1的发光二极管导通，第一光电耦合器U1输出为低电平，低电平信号通过RS422/485收发器驱动输入端IND进入驱动单元后，差分驱动信号-驱动器负输出端OUTD-为低电平，驱动器正输出端OUTD+为高电平。
当接收器差分输入信号((INA+)-(INB-))≤200mV，RS422/485收发器接收输出端OUTR为低电平，低电平信号通过第二光电耦合器U3发光二极管后，第二光电耦合器U3输出为高电平，高电平的幅度由选择的上拉电阻R4的阻值大小确定；当接收器差分输入信号((INA+)-(INB-))≥200mV，RS422/485收发器接收输出端OUTR为高电平，高电平信号通过第二光电耦合器U3发光二极管后，第二光电耦合器U3输出为低电平。
上述包含驱动单元与接收单元的双通道隔离器，分别生成对应的光电隔离驱动单元与光电隔离接收单元，独立输入或独立输出，在收发器输出的电特性相同的情况下，与传统分立器件搭建方案相比，电路封装体积可以减小2～3倍。
如图3所示，为本发明提供的一种与传统分立器件搭建电路体积对比示意图，详述如下：
本发明中隔离式RS422/485收发器采用全双工通信，通过三腔体多层布线的一体化陶瓷封装以及多芯片集成技术实现二次混合集成，如图3所示，左侧的附图为采用传统分立器件搭建电路，其对应的体积为23.30mm×24.50mm×4.5mm，右侧的附图基于一体化封装电路，其对应的体积为22.35mm×9.35mm×4.1mm。两者相比而言，本发明在其它电特性参数保持不变的前提下，使得隔离式RS422/485收发器的封装提交缩小2～3倍。
如图4所示，为本发明与塑封封装电路驱动器差分输出电压对比示意图，详述如下：
图4中，■为塑封封装光电隔离式RS422/485收发器电路驱动器差分输出电压与温度之间的关系曲线，▲为本发明的基于一体化封装光电隔离式RS422/485收发器电路驱动器差分输出电压与温度之间的关系曲线。从图4可以看出，本发明提供的基于一体化封装光电隔离式RS422/485收发器电路与塑封封装光电隔离式RS422/485收发器电路的驱动器差分输出电压相比，其基本保持一致，但本发明的基于一体化封装光电隔离式RS422/485收发器电路工作温度范围可扩展至-55℃～125℃军温的使用要求范围，远高于塑封封装光电隔离式RS422/485收发器电路的工作温度范围。
综上所述，本发明采用一体化封装，设计多个腔体多层布线集成各个元器件，其中，所述光电隔离驱动单元与光电隔离接收单元各自对应的光电耦合器单独封装于不同的腔体内，相对于现有的电路结构封装，大大减少了电路封装的尺寸。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于一体化封装的光电隔离式收发器，其特征在于，包括：
一体化封装的光电隔离驱动单元与光电隔离接收单元，其中，所述光电隔离驱动单元输入端连接驱动信号，其输出端输出第一差分信号；所述光电隔离接收单元连接第二差分信号，将所述第二差分信号转化为单端信号，从而实现电-光-电的转换。
2.根据权利要求1所述的基于一体化封装的光电隔离式收发器，其特征在于，所述光电隔离驱动单元与光电隔离接收单元各自对应的光电耦合器单独封装于不同的腔体内。
3.根据权利要求1所述的基于一体化封装的光电隔离式收发器，其特征在于，所述光电隔离驱动单元包括封装于第一腔体的第一光电耦合器，以及封装于第二腔体内的收发模块中的驱动器、第一电阻与第二电阻，其中，所述第一光电耦合器的输入端通过第一电阻连接驱动信号，所述第一光电耦合器的输出端分别连接第二电阻、收发模块的驱动输入端，所述第二电阻的另一端作为上拉电阻连接第一电源。
4.根据权利要求3所述的基于一体化封装的光电隔离式收发器，其特征在于，所述第一光电耦合器包括光敏探测芯片、发光二极管，其中，所述发光二极管的阳极端通过第一电阻连接驱动信号，所述发光二极管的阴极端连接第一接地端，所述光敏探测芯片的输出端连接第二电阻、收发模块的驱动输入端，用于检测到光信号转化成电信号输出到驱动单元输入端。
5.根据权利要求3所述的基于一体化封装的光电隔离式收发器，其特征在于，所述驱动器的的正向输出端连接收发模块的负向输出端，所述驱动器的负向输出端连接收发模块的正向输出端。
6.根据权利要求1所述的基于一体化封装的光电隔离式收发器，其特征在于，所述光电隔离接收单元包括封装于第三腔体的第二光电耦合器，以及封装于第二腔体内的收发模块中的接收器、第三电阻和第四电阻，所述接收器的输出端通过第三电阻连接第二光电耦合器的输入端，所述第二光电耦合器的输出端连接第四电阻，所述第四电阻作为上拉电阻连接至第二电源。
7.根据权利要求6所述的基于一体化封装的光电隔离式收发器，其特征在于，所述第二光电耦合器包括光敏探测芯片、发光二极管，其中，所述发光二极管的阳极端通过第三电阻连接收发模块的输出端，所述发光二极管的阴极端连接第二接地端，所述光敏探测芯片的输出端连接第四电阻，用于检测到光信号转化成电信号输出到外接的负载。
8.根据权利要求6所述的基于一体化封装的光电隔离式收发器，其特征在于，所述接收器的正向输入端连接收发模块的正向输入端，所述接收器的负向输入端连接收发模块的负向输入端，所述收发模块的接收输出端连接接收器的输出端。
9.根据权利要求3或6所述的基于一体化封装的光电隔离式收发器，其特征在于，还包括封装于第二腔体内的第一电容与第二电容，所述第一电容与第二电容并联后一端连接第二接地端，其另一端和收发模块的电源端连接第一电源。
10.根据权利要求1所述的基于一体化封装的光电隔离式收发器，其特征在于，所述收发器中所选用的电子元器件均满足军用使用环境。
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