文章來源：納芯微電子

在工業系統 SPI 一主多從通信架構中，為節省 IO 資源，數字隔離器輸出通道并聯復用是常見設計，但實際應用中極易出現電平無法正常拉高 / 拉低的異常問題，嚴重影響通信穩定性。本文先梳理工業系統主流通信方式及 SPI 隔離的應用場景，深入剖析數字隔離器輸出并聯導致電平異常的核心原因，再針對性給出兩種經實測驗證的解決方案(CS 反向使能電路、二極管反向阻斷配合軟件配置)，并明確實施過程中的關鍵注意事項，為工程師解決同類 SPI 隔離通信問題提供直接參考。

01工業系統常見通信方式

通信接口是硬件系統中實現數據交換的核心模塊，常分為內部通信接口（板級通信）、外部通信接口（對外通信），如圖1，不同接口在速率、距離、復雜度等方面各有特點，是納芯微產品主要的應用場景之一。

圖1 板級通信和對外通信

板級通信

板級通信為設備內部組件間的通信，通常具備速度快、距離短的特性，通常具備速度快、距離短的特性，常見有UART、I2C、SPI、單總線等。具體參數如表1所示：

表1 板級通信具體參數

對外通信

對外通信為設備級信號傳輸，用于實現設備間的數據交互，多采用差分傳輸方式，具備傳輸距離遠的優勢，常見類型包括 RS-232、RS-485、CAN 等，具體參數如下表所示：

表2 對外通信具體參數

02隔離SPI機會點

SPI全稱為Serial Peripheral Interface（串行外設接口），由摩托羅拉公司開發的一種同步、全雙工、主從式串行通訊總線，可以實現一主多從的通訊連接。

在硬件連接方式上，SPI常用4線制（SCK、MOSI、MISO、CS/SS），各信號線的傳輸方向及功能描述如下表3所示：

表3 SPI各信號線的傳輸方向及功能

SPI一主多從的通訊拓撲，MOSI、MISO、SCK常采用復用接口，節省IO資源，通過獨立的CS/SS實現從機選擇。如圖2所示。

圖2 SPI 一主多從基礎拓撲

在工業系統中，MCU高壓域與低壓域之間需要做通訊隔離，納芯微隔離器NSI8241W（3正1反）適用于SPI信號隔離。對于一主一從的隔離方式，4通道剛好一對一匹配（3正向通道對應SCK、MOSI、CS/SS，1反向通道對應MISO）。對于一主多從的拓撲架構，同樣會復用通道節省IO資源，如圖3示例。

圖3 帶數字隔離器的SPI主多從拓撲

03數字隔離器輸出并聯問題及解決方案

數字隔離器隔離SPI復用通道實際測試時，會發現復用MISO會出現電平異常，當一路輸入高，一路輸入低的情況下，MISO不能完全被拉高或者拉低。如圖4，兩顆8241 Out口復用，輸入分別給高、低時，MISO波形。

圖4

Vdd1=Vdd2=5.25V，IND1高，IND2低

黃色OutD1=藍色OutD2≈2.5V

數字隔離器Out內部為推挽輸出：輸入為高時，推挽上管導通，輸出高電平；輸入為低時，推挽下管導通，輸出低電平。當輸入一高一低時，就會形成分壓回路，造成MISO電平異常，如圖5，這顯然與SPI中規定MISO復用沖突（當SS拉低使能時，從機輸出配置為推挽輸出，當SS拉高時，從機輸出需配置為高阻態，防止多個輸出導致電平沖突）。

圖5 數字隔離器內部分壓回路

查閱NSI8241真值表（如圖6所示），當EN拉低時，數字隔離器可以輸出高組態，能夠滿足SPI復用要求。因此我們給出以下電路調整方案，來實現數字隔離器輸出口并聯復用需求。

圖6 NSI241真值表

方案1

CS 處增加反向電路，同步使能數字隔離器

在CS處增加反向電路（NPN、PNP、反相器等，需考慮Vce壓降）同步使能數字隔離器。CS拉高禁用時，數字隔離器EN拉低禁用，Out復用輸出高，如圖7、圖8所示：

圖7 CS反向接EN電路(NPN舉例，多路片選)

圖8 兩路CS、EN復用

方案2

二極管反向阻斷 + 軟件配置，實現并聯復用

通過二極管進行反向阻斷，配合軟件配置合理實現數字隔離器輸出并聯復用，如圖9、圖10所示：

圖9

未片選從機IND始終給低

圖10

未片選從機IND始終給高

但需要注意的是：

（1）需添加上下拉電阻，明確默認電平，同時滿足信號上升沿、下降沿的時間要求；

（2）需考慮二極管壓降對電平幅值的影響，避免因壓降導致通信誤判；

（3）當一路輸出通道由高電平切換至低電平時，受寄生參數影響，可能會短暫通過二極管抽取另一通道電流，需重視由此產生的電壓尖峰問題。

結論與建議

在工業 SPI 一主多從隔離通信場景中，數字隔離器輸出通道并聯復用是節省 IO 資源的常用方案，但因隔離器內部推挽輸出結構，直接并聯易導致電平異常。本文通過分析異常產生的核心原因，提供了兩種經實測驗證的解決方案（CS 反向使能電路、二極管反向阻斷 + 軟件配置），同時明確了實施過程中的關鍵注意事項。工程師在實際設計中可根據項目需求選擇合適方案，規避電平異常問題，保障 SPI 通信的穩定性。

高可靠性四通道數字隔離器NSI824x已通過 UL1577 安全認證，支持3kVrms-8kVrms 多檔絕緣電壓，同時在低功耗下提供高電磁抗擾度和低輻射。數據速率高達 150Mbps，共模瞬態抗擾度 250kV/μs。支持數字通道方向及輸入失電默認輸出電平配置，寬電源電壓可直接適配多數數字接口，簡化電平轉換；高系統級 EMC 性能進一步提升使用可靠性與穩定性。更多產品信息、技術資料敬請訪問www.novosns.com。

納芯微電子（簡稱納芯微，科創板股票代碼688052）是高性能高可靠性模擬及混合信號芯片公司。自2013年成立以來，公司聚焦傳感器、信號鏈、電源管理三大方向，為汽車、工業、信息通訊及消費電子等領域提供豐富的半導體產品及解決方案。

納芯微以『“感知”“驅動”未來，共建綠色、智能、互聯互通的“芯”世界』為使命，致力于為數字世界和現實世界的連接提供芯片級解決方案。