|
來(lái)源：Digikey 作者：Bill Schweber 電子系統的設計者需要將電源和信號隔離，以滿(mǎn)足性能要求，并滿(mǎn)足用戶(hù)和設備安全的法規要求。使用變壓器可輕松實(shí)現 AC 電源路徑的隔離。盡管要求更多的電路，DC 電源軌的隔離最終也依賴(lài)于變壓器。然而，針對已數字化的模擬信號和數字串行數據流進(jìn)行隔離會(huì )面臨不同的挑戰和復雜性。 在這種情況下，用于隔離的能量轉移技術(shù)必須在隔離屏障上保持信號完整性，以維持系統性能。雖然實(shí)現隔離的方法有很多，但設計人員必須在更高的數據速率和更具挑戰性的環(huán)境中確保信號完整性。因此，他們越來(lái)越多地轉向能夠以 150 兆比特每秒 (Mbps) 的速度傳輸數據的數字隔離器。 本文將簡(jiǎn)單探討隔離原因，并強調基于傳感器的電路需求。然后，介紹使用 Analog Devices 最先進(jìn)的數字隔離器進(jìn)行隔離的各個(gè)方面，并展示如何應用這種隔離器。 隔離：原因和位置 傳感器電路需要隔離的原因有多種： · 隔離可消除共模電壓變化，最大限度地減少某些類(lèi)型的電磁干擾 (EMI)。通過(guò)隔離能防止外部噪聲源干擾采集到的信號，從而確保測量結果更純凈、更準確。通過(guò)隔離，還可以測量具有高共模電壓的小信號。 · 由于電路接地之間存在電位差，接地回路會(huì )引入電壓差，從而使測量信號失真。隔離可斷開(kāi)接地回路。 · 隔離功能可防止危險的尖峰電壓、瞬態(tài)電壓或浪涌電壓波及敏感的測量元件。這可以保護測量電路、用戶(hù)和任何連接設備。 · 隔離功能支持不同電路功能之間的安全電平轉換。隔離屏障一側的電路可采用傳感器電壓，而另一側的電路可采用 3.3 V 或 5 V 邏輯電平信號。 例如，在高壓電池組中，通常需要了解單節電池的電壓，以確保系統安全運行并盡可能延長(cháng)電池壽命。盡管在串聯(lián)的電池組中存在高達數百伏的共模電壓，但仍必須測量單節電池的電壓。 雖然可以使用模擬電路和隔離放大器克服這一問(wèn)題，但這種方法無(wú)法滿(mǎn)足在保持系統精度、線(xiàn)性度和一致性的同時(shí)，獲得更高帶寬、更高分辨率的測量需求。 相反，完成這些測量的最準確、最經(jīng)濟和最高效的技術(shù)是隔離整個(gè)測量前端，包括模數轉換器 (ADC)，然后使用隔離式串行鏈路將數字化數據傳送到系統的其他部分（圖 1）。 
圖 1：在測量高壓電池組中單節電池的電壓時(shí)，使用隔離前端能夠克服共模電壓挑戰。（圖片來(lái)源： Analog Devices） 這種方法既能隔離電池組的共模電壓，又能在發(fā)生故障時(shí)防止任何危險的高電壓遷移到數據鏈路側或用戶(hù)。 請注意，如需隔離信號，就必須提供隔離電源，因為非隔離電源軌會(huì )與信號隔離相抵觸和抵消。通過(guò)獨立的電源隔離電路或使用電池作為獨立的隔離電源，即可實(shí)現所需的電源隔離。 如何實(shí)現隔離 許多參數決定了隔離性能。其中包括隔離屏障失效前可承受的最大電壓。相關(guān)法規規定了所需的最高電壓，通常為數千伏，但具體取決于具體的應用。 有幾種不同的技術(shù)可用于實(shí)現數字信號的隔離。其中包括電容耦合、光耦合（LED 和光電晶體管）、"微"刻度射頻傳輸和磁耦合。 后者是一種可靠的技術(shù)，具有許多優(yōu)點(diǎn)，但歷來(lái)需要一個(gè)相對較大且昂貴的信號轉換器。Analog Devices 推出的 iCoupler 技術(shù)改變了這種情況。這種方法使用芯片級初級和次級線(xiàn)圈，并通過(guò)聚酰亞胺絕緣層形成的隔離屏障將兩者隔離（圖 2）。高頻載波通過(guò)隔離屏障向次級線(xiàn)圈傳輸數據。
圖 2：iCoupler 技術(shù)使用高頻載波，穿過(guò)厚聚酰亞胺絕緣層將數據從初級線(xiàn)圈傳輸到次級線(xiàn)圈。(圖片來(lái)源：Analog Devices. ） 在運行過(guò)程中，初級變壓器通過(guò)初級線(xiàn)圈中的脈沖電流產(chǎn)生一個(gè)小型局部磁場(chǎng)，從而在次級線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應電流。電流脈沖很短，約為 1 納秒（1 ns），因此平均電流很低，可以確保低功耗。此外，用于脈沖的開(kāi)/關(guān)鍵控 (OOK) 技術(shù)和差分結構實(shí)現了極低的傳播延遲和高速能力。 iCoupler 使用的聚合物材料具有強大的隔離性能，因為這種材料幾乎適用于所有應用。對諸如醫療設備和重型工業(yè)設備等最具挑戰性的使用案例來(lái)說(shuō)，這種性能最有用。 聚酰亞胺的應力也比二氧化硅 (SiO2) �。ㄒ环N備選屏障材料），而且可以根據需要增加厚度。相反，SiO2 的厚度以及隔離能力是有限的；厚度大于 15 微米 (μm) 的應力可能會(huì )在加工過(guò)程中導致晶片出現裂紋，或在隔離器的使用期限內出現分層。聚酰亞胺數字隔離器使用厚達 26 μm 的隔離層。 Analog Devices 提供各種基于變壓器的 iCoupler 數字隔離器。其中包括用于 CAN、RS-485 和 SPI 接口的 ADUM340E0BRWZ -RL、 ADUM341E0BRWZ -RL 和 ADUM342E1WBRWZ 3000 Vrms、150 Mbps 隔離器。 這三種數字隔離器統稱(chēng)為 ADuM34xE 器件，主要區別在于其通道方向性。ADuM340E 有四個(gè)正向通道，ADuM341E 有三個(gè)正向通道和一個(gè)反向通道，ADuM3421 有兩個(gè)正向通道和兩個(gè)反向通道（圖 3）。
圖 3：ADuM34xE 系列中的三款四通道數字隔離器規格相似，但通道方向不同。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 這三款隔離器都有兩種故障安全模式可供選擇（圖 4）：如果輸入端斷開(kāi)或不工作（低故障安全模式），則輸出狀態(tài)設為低電平；如果輸入端斷開(kāi)或不工作（高故障安全模式），則輸出狀態(tài)設為高電平。這樣，在關(guān)鍵應用中使用時(shí)，隔離器就能恢復到已知狀態(tài)。
圖 4：所示為 ADuM34xE 器件單通道的運行框圖，說(shuō)明了低故障安全（上）和高故障安全（下）選項。(圖片來(lái)源：模擬器件公司） 請注意，輸入端（圖 3 中的 VDD1 引腳）和輸出端（VDD2）電源之間沒(méi)有關(guān)系。它們可以在規定的工作范圍內以任何電壓同時(shí)工作，并以任何順序排序。該功能使隔離器能夠執行 2.5 V、3.3 V 和 5 V 邏輯等的電壓轉換。 ADuM34xE 性能特點(diǎn)的細微差別 ADuM34xE 隔離器的高隔離電壓、高速度、低功耗和低傳播延遲等特性可直接用于設計，而且對于設計人員來(lái)講，其架構還有更多細微的優(yōu)勢。例如，總功耗隨運行頻率變化，功耗要求與設備運行速度大致成正比。因此，空閑通道或者以極低速度切換的通道的耗電量極低。對比他隔離技術(shù)，功耗相對降低了一到兩個(gè)數量級。 此外，一旦設計人員確定了應用的最大串行時(shí)鐘速率，就可以選擇相關(guān)的隔離電源，以提供足夠的電流來(lái)支持這一速率，從而規定值無(wú)需超過(guò)隔離器的最大值 鑒于定時(shí)和傳播延遲在高速串行鏈路中的重要性，必須注意數字隔離器的性能不會(huì )隨時(shí)間和溫度的變化而降低或改變。在信號傳輸速率較低時(shí)，抖動(dòng)問(wèn)題不大，因為與周期波相比，抖動(dòng)誤差較小，但在數據傳輸速率較高時(shí)，定時(shí)抖動(dòng)在信號間隔中的占比會(huì )很大。選擇抖動(dòng)最小的隔離器可以提高隔離電路的信噪比 (SNR) 和效率。 基于 iCoupler 架構的這些特性，器件規格書(shū)規定了在 -40°C 至 +125°C 整個(gè)工作溫度范圍內可保證的最低和最高功耗、傳播延遲和脈沖失真規格。對于設計人員來(lái)說(shuō)，使用這些全面的規格，就可以簡(jiǎn)化與最壞情況下的系統性能有關(guān)的計算。 有了數字隔離器與傳播延遲（最大 10 ns）（圖 5）、偏移和通道間匹配相關(guān)的保證數值，就可以像使用其他數字集成電路一樣，對頂層系統的定時(shí)規格進(jìn)行建模、評估。
圖 5：iCoupler 技術(shù)在整個(gè)工作溫度范圍內實(shí)現了低于 10 ns 的超低全特征化傳播延遲。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI) 是一個(gè)鮮為人知且容易被忽視的規格。電動(dòng)汽車(chē) (EV) 和混動(dòng)汽車(chē) (HEV) 的充電電路、太陽(yáng)能發(fā)電系統和電機驅動(dòng)器等高壓應用中的持續開(kāi)關(guān)操作會(huì )產(chǎn)生如振鈴和噪聲等共模瞬態(tài)。ADuM34xE 器件的隔離技術(shù)采用背靠背中心抽頭變壓器架構，可為隔離屏障兩側的噪聲提供低阻抗接地路徑。這使它們能夠達到 100 千伏每微秒 (kV/µs) 的 CMTI 額定值（最�。�，大大提高了隔離信號的完整性。 熟悉磁學(xué)的設計人員可能會(huì )擔心，這些隔離器可能會(huì )受到磁干擾的影響，進(jìn)而破壞穿過(guò)隔離屏障的傳輸脈沖，造成誤差。這種擔心是多余的，因為變壓器半徑很小，而且是空氣芯，這意味著(zhù)需要非常大的磁場(chǎng)或非常高的頻率才能導致故障。數字隔離器不會(huì )受到距離設備僅 5 毫米 (mm) 的導線(xiàn)中 1 兆赫茲 (MHz) 時(shí) 500 安培 (A) 電流的影響。 評估數字隔離器 雖然這些隔離器的功能簡(jiǎn)單明了，但在應用時(shí)需要注意電路板布局等細節，以確保其高壓隔離能力和高速運行性能不受影響。 為幫助設計人員使用和評估該器件，Analog Devices 提供 EVAL-ADUM34XEEBZ iCoupler 數字隔離器接口評估板（圖 6）。在這塊電路板上有每個(gè)隔離器的位置和布局，還有一個(gè)空位置。電路板上的每個(gè)器件（U1 至 U4）之間都有 V 形凹槽，方便用戶(hù)將電路板分成若干部分，并在試驗板或類(lèi)似測試夾具上測驗特定器件。
圖 6：EVAL-ADuM34XEEBZ 評估板支持所有三個(gè) ADuM34xE 器件，并提供一個(gè)開(kāi)放位置供用戶(hù)選擇引腳兼容的器件。(圖片來(lái)源：Analog Devices） EVAL-ADuM34XEEBZ 電路板遵循相關(guān)的印刷電路板（PC 板）設計規范，包括隔離屏障兩側各一個(gè)接地平面。使用該電路板評估 iCoupler 器件時(shí)只需一臺示波器、一個(gè)信號發(fā)生器和一個(gè) 2.25 V 至 5.5 V 電源。 結語(yǔ) 許多設計都需要隔離以保持信號完整性，確保用戶(hù)和設備安全，并滿(mǎn)足監管要求�；� Analog Devices iCoupler 磁耦合技術(shù)的數字隔離器提供了一種易于使用且可靠的高速解決方案。這類(lèi)器件的核心規格，包括隨時(shí)間和溫度而發(fā)生的最小降額，確保了長(cháng)期、卓越的性能。 |
