工業(yè)環(huán)境中使用的測量設(shè)備通常需要隔離，以確保用戶和系統(tǒng)安全，并確保在存在高共模電壓的情況下進行精確測量。數(shù)字隔離器為光耦合器等舊技術(shù)提供了一種可靠且易于使用的替代方案。利用數(shù)字隔離器，工程師可以優(yōu)化隔離系統(tǒng)設(shè)計，以降低功耗并保證系統(tǒng)性能，而無需訴諸過多的設(shè)計裕量來彌補器件規(guī)格缺失或不完整的問題。

介紹

設(shè)計隔離的測量儀器具有挑戰(zhàn)性，有時甚至令人沮喪。隔離式前端可保護用戶免受測量系統(tǒng)上存在的潛在致命電壓的影響，并允許工程師在存在高共模電壓的情況下進行精確測量。圖1顯示了這種測量的典型示例。在高壓燃料電池或電池組中，了解各個電池電壓有助于確保系統(tǒng)安全運行并獲得盡可能長的電池壽命。在確定單個電池的電壓時，我們必須在高達幾百伏的共模電壓下測量它。當用熱電偶測量載流導(dǎo)體的溫度時，也會發(fā)生類似的情況。在本例中，系統(tǒng)必須測量毫伏信號分辨率，同時抑制高水平的共模60 Hz噪聲，并保護操作員免受任何危險電壓的影響。

圖1.使用隔離式前端測量高壓堆棧中單個電池的電壓。

隔離放大器是這個問題的初步解決方案，但由于需要更高帶寬和分辨率的測量，隔離放大器已經(jīng)過時。目前，執(zhí)行這些測量的最準確、最經(jīng)濟、最有效的技術(shù)是隔離整個測量前端，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），并實現(xiàn)與系統(tǒng)其余部分的隔離串行鏈路，如圖1所示。該鏈路可以是本地總線（如 SPI），也可以是工業(yè)協(xié)議（如 RS-485），用于將測量數(shù)據(jù)長距離發(fā)送到控制器單元。

可靠性設(shè)計

直到大約十年前，光耦合器還是為數(shù)不多的用于隔離數(shù)字信號的實用解決方案之一。但是，詢問任何必須與他們一起設(shè)計的工程師，您將很快了解到開發(fā)高效可靠的系統(tǒng)是多么具有挑戰(zhàn)性，尤其是在試圖將成本降至最低時。光耦合器使用LED產(chǎn)生穿過隔離柵的光，以打開和關(guān)閉光電晶體管。使用光耦合器進行設(shè)計時，必須保證LED將產(chǎn)生足夠的光來打開接收光電晶體管，并且輸出上升和下降時間足夠快，以支持在所需頻率下工作。最重要的光耦合器規(guī)格之一是電流傳輸比（CTR）。CTR是出現(xiàn)在光電晶體管上的集電極電流與通過LED的電流之比。

光耦合器CTR不僅具有非常寬的容差，而且還會隨著時間和溫度而降低。為了保證光耦合器在服務(wù)數(shù)年后繼續(xù)工作，并且在高溫下，工程師必須假設(shè)最差的CTR，這本身就具有挑戰(zhàn)性，因為光耦合器數(shù)據(jù)手冊僅列出了室溫下的CTR規(guī)格。例如，典型光耦合器的規(guī)格表列出了25°C時50%–600%的保證CTR。 此外，大多數(shù)數(shù)據(jù)手冊都包含一個典型圖表，顯示80°C時的CTR僅為20°C時CTR的50%左右。 實際上，沒有數(shù)據(jù)手冊包含85°C時的最小CTR，因此您必須對它進行假設(shè)。此外，一些研究對CTR隨時間下降進行了建模，但這是數(shù)據(jù)手冊上找不到的另一個規(guī)格，因此您必須決定增加多少額外的設(shè)計裕量，以便最終產(chǎn)品在其預(yù)期使用壽命內(nèi)可靠運行。設(shè)計一個魯棒的隔離器電路意味著您必須做出許多工程假設(shè)，需要以增加電流消耗和降低工作速度的形式進行權(quán)衡，以便在產(chǎn)品的整個生命周期內(nèi)為可靠運行留出足夠的余量。

數(shù)字隔離器使用非光學(xué)方式跨越隔離柵發(fā)送數(shù)據(jù)。例如，ADI公司的隔離器使用微變壓器技術(shù)在隔離柵上發(fā)送脈沖，并且不會受到光耦合器相關(guān)的時間和溫度下降效應(yīng)的影響。這樣就可以在器件的整個工作溫度范圍內(nèi)發(fā)布保證的最小和最大功耗、傳播延遲和脈沖失真規(guī)格。擁有完整的規(guī)格，無需在工作條件下對光耦合器進行廣泛的特性測試，而是使用數(shù)據(jù)手冊信息來計算最壞情況的系統(tǒng)性能。您可以簡單地查看數(shù)字隔離器的保證傳播延遲、偏斜和功耗，并使用這些數(shù)據(jù)來計算頂級系統(tǒng)時序規(guī)格，就像任何標準數(shù)字集成電路一樣。其他非光學(xué)技術(shù)，如電容式、射頻 （RF） 和巨磁阻 （GMR） 耦合也可用。

由于磁性數(shù)字隔離器在從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)時會消耗大部分功率，因此功耗與工作頻率成比例。因此，空閑或以非常低的速度切換的通道消耗的功率非常少。一旦確定了應(yīng)用的最大串行時鐘速率，就可以設(shè)計一個電源來提供足夠的電流來支持該速率。使用光耦合器進行設(shè)計時，必須確保電路始終在LED處于關(guān)斷狀態(tài)時空閑，以最大限度地降低系統(tǒng)功耗。

光耦合器技術(shù)已經(jīng)問世30多年;一些工程師對改用新的隔離器技術(shù)持謹慎態(tài)度。大多數(shù)制造商將其產(chǎn)品提交給監(jiān)管機構(gòu)批準，并清楚地表明其隔離器已根據(jù)哪些標準獲得批準。ADI公司的數(shù)字隔離器等器件使用聚酰亞胺作為絕緣體，這與許多光耦合器中使用的材料相同。在某些情況下，它們按照與光耦合器相同的安全標準進行測試，而在其他情況下（如VDE V 0884-10），已經(jīng)為數(shù)字隔離器制定了特定的標準。例如，表1顯示了ADuM140x系列隔離器的機構(gòu)認證。

其他問題包括數(shù)字隔離器承受過壓浪涌的能力，以及它們對共模電壓和磁場中斷形式的瞬變的抗擾度。幸運的是，聚酰亞胺絕緣使ADI公司的數(shù)字隔離器能夠承受高達6 kV的浪涌長達10秒。由于隔離柵兩端的寄生電容較低，與其他技術(shù)相比，磁隔離器還具有出色的共模瞬變抗擾度（CMTI）。例如，典型的高速光耦合器的CMTI規(guī)格為1–10 kV/μs，而磁性數(shù)字隔離器可以抑制超過35 kV/μs的共模瞬變。

乍一看，對磁干擾的擔(dān)憂似乎是合理的，因為帶有微變壓器的隔離器使用磁場在隔離柵上傳輸脈沖。有人可能會認為足夠強的磁場可能會干擾脈沖，導(dǎo)致錯誤的輸出。然而，由于變壓器及其空芯的半徑非常小，因此需要非常大的磁場或非常高的頻率才能誘發(fā)故障。圖2顯示了仍能保證AD344x隔離器輸出無故障時的最大允許電流和頻率。例如，在距離器件 1 MHz 和 5 mm 時，需要超過 500 安培的電流才能觸發(fā)故障輸出。理論上產(chǎn)生錯誤輸出所需的幅度和頻率組合遠遠超出了絕大多數(shù)應(yīng)用中的體驗。

圖2.ADuM344x最大允許電流和頻率，保證無差錯工作。

高速運行

當隔離式測量系統(tǒng)使用高采樣速率時，使用光耦合器隔離串行總線可能成為一項艱巨的任務(wù)。接收器光電二極管的寄生電容限制了光耦合器通過數(shù)字信號的速度。您可以通過增加來自LED的光量來更快地為寄生電容充電，但這會增加功耗。此外，很少有光耦合器為每個封裝提供兩個以上的通道，并且僅在相同的方向上提供，并且通常不包括與通道間匹配相關(guān)的時序規(guī)格。雖然假設(shè)同一封裝中的光耦合器之間匹配良好是合乎邏輯的，但沒有印刷規(guī)格意味著您必須做出工程假設(shè)。與依賴未印刷規(guī)格的情況一樣，大多數(shù)謹慎的工程師會選擇留出充足的設(shè)計裕量，在考慮單個光耦合器時，其工作性能遠低于數(shù)據(jù)手冊所顯示的性能。

使用數(shù)字隔離器的另一個優(yōu)點是，產(chǎn)品可作為4通道器件提供，保證速度高達150 Mbps。此外，所有數(shù)字隔離器制造商都在數(shù)據(jù)手冊的時序部分提供了有保證的通道-通道匹配規(guī)格。例如，ADI公司的ADuM344x隔離器在整個工作溫度范圍內(nèi)保證通道間傳播延遲失配小于2 ns。實際上，這意味著您可以以數(shù)據(jù)手冊中列出的速度使用數(shù)字隔離器，而無需針對較大或未知的器件間或通道間偏斜降低系統(tǒng)額定值。

集成

由于數(shù)字隔離器技術(shù)與標準CMOS工藝兼容，因此集成附加功能以簡化系統(tǒng)設(shè)計相對容易。例如，傳統(tǒng)的熱電偶測量器件可能使用多個光耦合器來實現(xiàn)低速SPI接口，以及帶有驅(qū)動器和穩(wěn)壓器的隔離變壓器，為隔離前端供電。通過使用集成隔離電源的數(shù)字隔離器（如ADuM5401），整個隔離系統(tǒng)成為具有四個數(shù)據(jù)通道和隔離電源的單個集成電路。與使用分立式隔離器和隔離電源相比，這提高了可靠性并節(jié)省了大量電路板空間。

許多儀器都包括一個隔離的RS-485端口，用于遠程監(jiān)視或控制。幾年前，實現(xiàn)這樣的隔離端口不僅需要數(shù)據(jù)線的隔離器，還需要與RS-485差分信號兼容的收發(fā)器和電源。圖3顯示了ADM2682E等單個IC如何將所有功能集成到單個封裝中。

圖3.您可以使用單個ADM2682E實現(xiàn)全雙工隔離式RS-485接口。

總結(jié)

由于光耦合器涉及技術(shù)挑戰(zhàn)，設(shè)計隔離式測量設(shè)備曾經(jīng)是一項昂貴、具有挑戰(zhàn)性且有時令人沮喪的工作。在過去幾年中，數(shù)字隔離技術(shù)的進步使任務(wù)變得更加簡單。它們的低成本、更高的性能、易用性和集成性可幫助工程師滿足其開發(fā)計劃。此外，監(jiān)管機構(gòu)的認證和承受高水平干擾的能力使其成為工業(yè)測量系統(tǒng)典型的長產(chǎn)品壽命的理想選擇。

審核編輯：郭婷