【導讀】工業(yè)環(huán)境中的測量器件往往需要進行隔離以確保安全。利用數(shù)字隔離器，可以優(yōu)化隔離系統(tǒng)設計、降低功耗、保證系統(tǒng)性能，同時無需借助額外的設計裕量來補償缺失或不完整的器件規(guī)格。本文將介紹使用數(shù)字隔離器進行隔離測量儀器的設計。
隔離系統(tǒng)設計簡介
設計隔離測量儀器頗具挑戰(zhàn)性，有時甚至會令人沮喪不已。隔離前端可以保護用戶免受測量系統(tǒng)中可能存在的致命電壓的傷害，同時允許工程師在高共模電壓下進行精確的測量。圖1所示為此類測量的一個典型示例。在高壓燃料電池或電池組中，了解單個電池的電壓有助于確保系統(tǒng)的安全運行，同時可以最大限度地延長電池壽命。在確定單個電池的電壓時，我們必須在高達數(shù)百伏特的共模電壓下進行測量。在用熱電偶測量載流導體的溫度時，會出現(xiàn)類似的情況。在本例中，系統(tǒng)必須具備測量毫伏級信號分辨率的能力，同時抑制高電平的60 Hz共模噪聲，并保護操作員不受任何危險電壓的傷害。
最初人們用隔離放大器來解決這個問題，但隨著測量帶寬和分辨率的增長，這種解決方案已經(jīng)過時。現(xiàn)在，執(zhí)行此類測量的最精確、最經(jīng)濟、最高效技術(shù)是隔離整個測量前端(包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC))，并對系統(tǒng)其余部分實施隔離串行鏈路，如圖1所示。該鏈路可以是一個局部總線(如SPI)，也可以是工業(yè)協(xié)議(如RS-485)，用以將測量數(shù)據(jù)長距離傳輸至控制器單元。
圖1：用隔離前端測量高壓電池組中單個電池的電壓
數(shù)字隔離器可靠性設計
直到大約10年前，光耦合器仍然是隔離數(shù)字信號的少數(shù)可行解決方案之一。然而，如果問一問不得不用光耦合器進行設計的工程師，您就會了解到，用光耦合器開發(fā)高效、可靠的系統(tǒng)是多么的困難，尤其是需要將成本降至最低時。光耦合器使用LED來產(chǎn)生跨越隔離柵的光，以接通和關(guān)閉光電晶體管。在用光耦合器進行設計時，必須保證LED能產(chǎn)生足夠的光來接通接收光電晶體管，同時，輸出上升和下降時間也要足夠快，以支持目標頻率下的操作。光耦合器最重要的一個規(guī)格是電流傳輸比(CTR)。CTR是光電晶體管上出現(xiàn)的集電極電流與通過LED的電流的比值。
光耦合器CTR不但擁有極寬的容差，而且性能會隨著時間和溫度而下降。為了確保光耦合器能在高溫下使用數(shù)年之后繼續(xù)工作，工程師必須假設最差情況下的CTR，這本身就極具挑戰(zhàn)性，因為光耦合器數(shù)據(jù)手冊只列出了室溫下的CTR規(guī)格。例如，典型光耦合器的規(guī)格表列出了25°C下50%–600%的保證CTR。另外，大多數(shù)數(shù)據(jù)手冊都包含典型圖表，顯示80°C時的CTR僅為20°C時的CTR的大約50%。事實上，沒有數(shù)據(jù)手冊會列出85°C時的最小CRT，因此，您必須對該值做出假設。另外，有些研究對CTR隨時間發(fā)生的下降進行了模擬，但該規(guī)格同樣未列于數(shù)據(jù)手冊中，因此，您必須決定增加多少額外的設計裕量，以保證最終產(chǎn)品能在預期壽命范圍內(nèi)可靠地運行。設計一個魯棒的隔離器電路意味著，您必須做出許多工程設計假設，需要在增加的功耗和降低的工作速度之間取舍，留出足夠的裕量以便產(chǎn)品在整個壽命期間可靠運行。
數(shù)字隔離器使用非光學方式來橫跨隔離柵發(fā)送數(shù)據(jù)。例如，ADI公司的隔離器采用微變壓器技術(shù)來橫跨隔離柵發(fā)送脈沖，不存在與光耦合器相關(guān)聯(lián)的時間和溫度下降效應。這樣，可以針對器件的整個工作溫度范圍發(fā)布保證最低和最大功耗、傳播延遲和脈沖失真規(guī)格。有了完整的規(guī)格，就不需要在您的工作條件下對光耦合器進行廣泛的特性測試，可以直接使用數(shù)據(jù)手冊中的數(shù)據(jù)來計算最差情況下的系統(tǒng)性能。您只用看看數(shù)字隔離器的保證傳播延遲、偏斜和功耗，即可利用這些數(shù)據(jù)來計算頂層系統(tǒng)時序規(guī)格，就像任何標準數(shù)字集成電路一樣。也可使用其他非光學技術(shù)，例如容性、射頻(RF)和巨磁阻(GMR)耦合。
表1：ADI公司ADuM140x系列數(shù)字隔離器的監(jiān)管機構(gòu)認證
由于磁性數(shù)字隔離器大部分功率消耗于從一個狀態(tài)切換至另一狀態(tài)時，故功耗與工作頻率呈比例關(guān)系。因此，處于空閑狀態(tài)或者開關(guān)速度極低的通道功耗非常小。一旦已確定應用的最大串行時鐘速率，即可設計電源來提供支持該速率的充足電流。在利用光耦合器進行設計時，必須確保LED處于關(guān)閉狀態(tài)時電路始終處于空閑狀態(tài)，以將功耗降至最低。
光耦合器技術(shù)進入市場已超過30年；一些工程師對轉(zhuǎn)向新的隔離器技術(shù)保持謹慎。大多數(shù)制造商都要將產(chǎn)品提交監(jiān)管機構(gòu)批準，并清楚展示其隔離器通過了哪些標準。諸如ADI公司數(shù)字隔離器的器件均以聚酰亞胺為絕緣體，這種材料也用于許多光耦合器之中。在某些情況下，它們是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)，則專門針對數(shù)字隔離器制定了具體標準。例如，表1展示了ADuM140x系列隔離器的機構(gòu)認證。
其他問題涉及數(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干擾形式的瞬變的抗干擾能力。幸運的是，借助聚酰亞胺絕緣材料，ADI公司的數(shù)字隔離器可以承受最高6 kV的浪涌達10秒。由于隔離柵上只有極低的寄生電容，因此，磁性隔離器相對于其他技術(shù)還具有極佳的共模瞬變抗擾度(CMTI)。例如，典型高速光耦合器的CMTI規(guī)格為1至10 kV/_s，而磁性數(shù)字隔離器可抑制35 kV/_s以上的共模瞬變。
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乍一看，對磁場干擾的擔心似乎非常合理，因為采用微變壓器的隔離器利用磁場來橫跨隔離柵發(fā)射脈沖。有人可能認為，足夠強的磁場可能會干擾脈沖，從而導致輸出錯誤。然而，由于變壓器及其空芯的半徑非常小，因此只有非常大的磁場或極高的頻率才能產(chǎn)生故障。圖2所示的最大容許電流和頻率仍可以保證AD344x隔離器的輸出無故障。例如，只有超過500 A(1 MHz，距離器件5 mm)的電流才可能觸發(fā)故障輸出。理論上，產(chǎn)生錯誤輸出所需要的幅度和頻率組合遠遠超過了絕大多數(shù)應用的范圍。
圖2：ADuM344x可保證無錯運行的最大容許電流和頻率
數(shù)字隔離器的高速運行
當隔離測量系統(tǒng)使用高采樣速率時，用光耦合器隔離串行總線可能是比較困難的任務。接收器光電二極管的寄生電容限制了光耦合器傳輸數(shù)字信號的速度。您可以通過增加來自LED的光量來提高該寄生電容的充電速度，但這樣做會增加功耗。另外，很少有光耦合器在每個封裝內(nèi)只沿同一方向提供兩個以上的通道，而且通常不包括與通道間匹配相關(guān)的時序規(guī)格。雖然假定同一封裝中的光耦合器之間具有良好匹配合乎邏輯，但缺少印制的規(guī)格意味著您必須做出工程設計假設。與依賴非印制規(guī)格的情況相同，大多數(shù)謹慎的工程師會選擇留出充足的設計裕量，工作性能遠遠低于采用單個光耦合器時數(shù)據(jù)手冊指示的性能。
使用數(shù)字隔離器的另一優(yōu)勢是，產(chǎn)品可采用4通道器件形式，保證速度最高可達150 Mbps。另外，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保證通道間匹配規(guī)格。例如，ADI公司的ADuM344x隔離器在整個工作溫度范圍內(nèi)的保證通道間傳播延遲失配小于2 ns。實際使用中，這意味著可以在數(shù)據(jù)手冊列出的速度下使用數(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來下調(diào)系統(tǒng)性能。
數(shù)字隔離器的集成
由于數(shù)字隔離器技術(shù)兼容標準CMOS工藝，因此，集成額外的功能以簡化系統(tǒng)設計相對較容易。例如，傳統(tǒng)的熱電偶測量器件可能用多個光耦合器來實現(xiàn)低速SPI接口，并用具有驅(qū)動器和調(diào)節(jié)器的隔離變壓器來為隔離前端供電。利用集成隔離電源的數(shù)字隔離器( 如ADuM5401)，整個隔離系統(tǒng)成為帶四個數(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，這種方式提高了可靠性，節(jié)省了大量電路板空間，降低了成本。
圖3：可以用單個ADM2682E實現(xiàn)全雙工、隔離式RS-485接口
許多儀器內(nèi)置隔離式RS-485端口，用于遠程監(jiān)控或控制。幾年前，實現(xiàn)這樣的隔離端口不但需要為數(shù)據(jù)線路配置隔離器，而且需要兼容RS-485差分信號和電源的收發(fā)器。圖3顯示了像ADM2682E這樣的單個IC如何將所有功能集成到單個封裝之中。
總結(jié)
過去，設計隔離式測量設備是一種昂貴、困難、有時甚至令人沮喪的任務，因為光耦合器存在諸多的技術(shù)問題。在過去幾年中，數(shù)字隔離技術(shù)的進步大大簡化了這一任務。數(shù)字隔離技術(shù)具有成本低、性能高、易用、集成度高的特點，有助于工程師按時完成開發(fā)進度。另外，監(jiān)管機構(gòu)認證以及承受高干擾水平的能力使其非常適合工業(yè)測量系統(tǒng)中常見的長壽命產(chǎn)品。
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