想法簡介

工業(yè)環(huán)境中使用的測量設(shè)備通常需要隔離以保證用戶和系統(tǒng)安全，并確保在高共模電壓下進(jìn)行精確測量。數(shù)字隔離器為光耦合器等舊技術(shù)提供了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，從而降低功耗并保證系統(tǒng)性能，而無需過多的設(shè)計余量來彌補(bǔ)設(shè)備規(guī)格缺失或不完整。

簡介

設(shè)計隔離的測量儀器具有挑戰(zhàn)性，有時令人沮喪。隔離的前端可保護(hù)用戶免受測量系統(tǒng)上存在的潛在致命電壓的影響，并允許工程師在高共模電壓下進(jìn)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，了解單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(dá)幾百伏的共模電壓下測量它。當(dāng)用熱電偶測量載流導(dǎo)體的溫度時會發(fā)生類似的情況。在此示例中，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(hù)操作員免受任何危險電壓的影響。

隔離放大器是這個問題的初始解決方案，但已經(jīng)過時，需要更高帶寬和更高分辨率的測量。今天，執(zhí)行這些測量的最準(zhǔn)確，最經(jīng)濟(jì)，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SPI等本地總線，也可以是RS-485等工業(yè)協(xié)議，可以將測量數(shù)據(jù)長距離發(fā)送到控制器單元。

設(shè)計可靠性< / h3>

直到大約十年前，光耦合器是為數(shù)不多的隔離數(shù)字信號的實用解決方案之一。但是，要求任何必須使用它們進(jìn)行設(shè)計的工程師，您將很快了解開發(fā)高效可靠系統(tǒng)的難度，特別是在努力將成本降至最低時。光耦合器使用LED在隔離柵上產(chǎn)生光，以打開和關(guān)閉光電晶體管。在使用光耦合器進(jìn)行設(shè)計時，您必須保證LED將產(chǎn)生足夠的光以打開接收光電晶體管，并且輸出上升和下降時間將足夠快以支持在所需頻率下的操作。最重要的光耦合器規(guī)格之一是當(dāng)前傳輸率（CTR）。 CTR是光電晶體管上出現(xiàn)的集電極電流與通過LED的電流之比。

光電耦合器CTR不僅具有非常寬的容差，而且還隨著時間和溫度而降低。為了保證光耦合器在使用數(shù)年后能夠繼續(xù)工作，并且在高溫下，工程師必須承擔(dān)最差的可能性，這本身就具有挑戰(zhàn)性，因為光耦合器數(shù)據(jù)表僅列出了室溫下的CTR規(guī)格。例如，典型的光耦合器規(guī)格表列出了在25°C時保證的50％-600％的CTR。此外，大多數(shù)數(shù)據(jù)表都包含一個典型的圖表，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)表包含85°C時的最低點擊率，因此您必須假設(shè)它將是什么。此外，還有一些研究表明CTR隨時間退化，但這是您在數(shù)據(jù)表中找不到的另一個規(guī)范，因此您必須決定添加多少額外的設(shè)計余量，以便最終產(chǎn)品能夠可靠地運行預(yù)期壽命。設(shè)計一個強(qiáng)大的隔離器電路意味著您必須做出許多工程假設(shè)，需要以增加的電流消耗和更慢的工作速度進(jìn)行權(quán)衡，以便在產(chǎn)品的整個使用壽命期間留出足夠的可靠運行余量。

Digital隔離器使用非光學(xué)方式在隔離柵上發(fā)送數(shù)據(jù)。例如，模擬器件的隔離器使用微變壓器技術(shù)在隔離柵上發(fā)送脈沖，并且不會受到與光耦合器相關(guān)的時間和溫度降低影響。這使得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)范。完整的規(guī)格無需在您的工作條件下對光耦合器進(jìn)行廣泛的特性測試，有利于使用數(shù)據(jù)表信息來計算最差情況下的系統(tǒng)性能。您可以簡單地看一下數(shù)字隔離器的保證傳播延遲，偏斜和功率消耗，并使用數(shù)據(jù)計算您的頂級系統(tǒng)時序規(guī)范，如任何標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字集成電路。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)時消耗大部分功率，因此功耗隨工作頻率而變化。因此，空閑或以非常低的速度切換的通道消耗非常少的功率。一旦確定了應(yīng)用程序的最大串行時鐘速率，您就可以設(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(jìn)行設(shè)計時，必須確保電路在LED處于關(guān)閉狀態(tài)時始終處于空閑狀態(tài)，以最大限度地降低系統(tǒng)功耗。

光耦合器技術(shù)已有30多年的歷史;一些工程師擔(dān)心切換到新的隔離器技術(shù)。大多數(shù)制造商將其產(chǎn)品提交給監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)，并清楚地顯示其隔離器已經(jīng)批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)。 ADI公司的數(shù)字隔離器等部件使用聚酰亞胺作為絕緣體，這與許多光耦合器使用的材料相同。在某些情況下，它們的測試安全標(biāo)準(zhǔn)與光耦合器相同，而在其他情況下（如VDE V 0884-10），已經(jīng)為數(shù)字隔離器開發(fā)了特定的標(biāo)準(zhǔn)。例如，表1顯示了ADuM140x系列隔離器的機(jī)構(gòu)認(rèn)證。

表1. ADI公司ADuM140x系列的監(jiān)管機(jī)構(gòu)認(rèn)證數(shù)字隔離器。

其他問題涉及數(shù)字隔離器承受過壓浪涌的能力，它們對共模電壓和磁場中斷的瞬態(tài)抗擾性。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(dá)6 kV的浪涌，最長可達(dá)10秒。由于寄生電容較低隔離柵，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，典型的高速光電耦合器具有1-10 kV /μs的CMTI規(guī)格，而磁數(shù)字隔離器可以拒絕共模超過35 kV /μs的瞬態(tài)。

對于磁干擾的關(guān)注乍一看似乎是合理的，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?？赡軙J(rèn)為足夠強(qiáng)的磁場會干擾脈沖，從而導(dǎo)致錯誤的輸出。然而，由于變壓器及其空芯的半徑非常小，因此需要極大的磁場或非常高的頻率來引發(fā)故障。圖2顯示了最大允許電流和頻率，仍可確保AD344x隔離器的輸出保持無故障。例如，在距設(shè)備5毫米的1 MHz處需要超過500安培的電流才可能觸發(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(yuǎn)遠(yuǎn)超出絕大多數(shù)應(yīng)用所能達(dá)到的范圍。

高速運行

當(dāng)隔離測量系統(tǒng)使用高采樣率時，使用光耦合器隔離串行總線可能會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傳遞數(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，很少有光耦合器每個封裝提供兩個以上的通道，只有相同的方向，并且通常不包括與通道到通道匹配相關(guān)的時序規(guī)范。雖然假設(shè)同一封裝中光耦合器之間的良好匹配是合乎邏輯的，但沒有印刷規(guī)格意味著您必須做出工程假設(shè)。與依賴未打印規(guī)格的情況一樣，大多數(shù)謹(jǐn)慎的工程師會選擇留下足夠的設(shè)計余量，其性能遠(yuǎn)低于考慮單個光耦合器時數(shù)據(jù)表所表明的性能。

使用的另一個優(yōu)點數(shù)字隔離器產(chǎn)品可作為4通道器件提供，保證速度高達(dá)150 Mbps。此外，所有數(shù)字隔離器制造商都在數(shù)據(jù)表的時序部分提供有保證的通道通道匹配規(guī)范。例如，ADI公司的ADuM344x隔離器在整個工作溫度范圍內(nèi)具有小于2 ns的保證通道間傳播延遲失配。實際上，這意味著您可以使用數(shù)據(jù)表中列出的速度使用數(shù)字隔離器，而無需為大型或未知的部件到部件或通道到通道的偏斜降低系統(tǒng)的速率。

集成

由于數(shù)字隔離器技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容，因此集成其他功能以簡化系統(tǒng)設(shè)計相對容易。例如，傳統(tǒng)的熱電偶測量設(shè)備可能已經(jīng)使用多個光耦合器來實現(xiàn)低速SPI接口，以及帶有驅(qū)動器和調(diào)節(jié)器的隔離變壓器來為隔離的前端供電。通過使用帶有集成隔離電源的數(shù)字隔離器，例如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。與使用分立隔離器和隔離電源相比，這樣可以提高可靠性并節(jié)省大量電路板空間，成本更低。

許多儀器包括用于遠(yuǎn)程監(jiān)控或控制的隔離RS-485端口。直到幾年前，實現(xiàn)這樣的隔離端口不僅需要數(shù)據(jù)線的隔離器，還需要兼容RS-485差分信號和電源的收發(fā)器。圖3顯示了ADM2682E等單個IC如何將所有功能集成到一個封裝中。

摘要

由于光耦合器所涉及的技術(shù)挑戰(zhàn)，設(shè)計隔離的測量設(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(jìn)步使其變得更加簡單。它們的低成本，高性能，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(jī)構(gòu)的認(rèn)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。