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常見問題
最新產品發布: 光MOS繼電器:1500v,3750Vrms,6pin; 邏輯10Mbp高隔離光耦:7500Vmrs,10Mbps,Lsop8
利用數字隔離器簡化設計并確保系統可靠性
2022-01-15 來源:深圳市騰恩科技有限公司

南宫28ng娱乐app下载-南宫28官网入口-南宫28ng娱乐官网-ng28南宫娱乐app-南宫国际app 設計隔離測量儀器頗具挑戰性,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 確保系統的安全運行,同時可以較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,會出現類似的情況。在本例中,系統必須具備 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。

圖1. 用隔離前端測量高壓電池組中單個電池的電壓

南宫28ng娱乐app下载-南宫28官网入口-南宫28ng娱乐官网-ng28南宫娱乐app-南宫国际app 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,這種解決方案已經過時。現在,執 行此類測量的精確、經濟、高效技術是隔離整個 測量前端(包括模數轉換器(ADC)),并對系統其余部分 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),也可以是工業協議(如RS-485),用以將 測量數據長距離傳輸至控制器單元。

可靠性設計

直到大約10年前,光耦合器仍然是隔離數字信號的少數 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 高效、可靠的系統是多么的困難,尤其是需要將成本降 至低點時。光耦合器使用LED來產生跨越隔離柵的光, 以接通和關閉光電晶體管。在用光耦合器進行設計時, 必須保證LED能產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。光耦合器重要的一個規格是電流傳輸比 (CTR)。CTR是光電晶體管上出現的集電極電流與通過 LED的電流的比值。

南宫28ng娱乐app下载-南宫28官网入口-南宫28ng娱乐官网-ng28南宫娱乐app-南宫国际app 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 年之后繼續工作,工程師必須假設最差情況下的CTR, 這本身就極具挑戰性,因為光耦合器數據手冊只列出了 室溫下的CTR規格。例如,典型光耦合器的規格表列出 了25°C下50%–600%的保證CTR。另外,大多數數據手 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,沒有數據手冊會列出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隨時間發生的下降進行了模擬,但該規格 同樣未列于數據手冊中,因此,您必須決定增加多少額 外的設計裕量,以保證最終產品能在預期壽命范圍內可 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品在整個壽命 期間可靠運行。

南宫28ng娱乐app下载-南宫28官网入口-南宫28ng娱乐官网-ng28南宫娱乐app-南宫国际app 數字隔離器使用非光學方式來橫跨隔離柵發送數據。例 如,ADI公司的隔離器采用微變壓器技術來橫跨隔離柵 發送脈沖,不存在與光耦合器相關聯的時間和溫度下降 效應。這樣,可以針對器件的整個工作溫度范圍發布保 證較低和較大功耗、傳播延遲和脈沖失真規格。有了完 整的規格,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,可以直接使用數據手冊中的數據來計 算最差情況下的系統性能。您只用看看數字隔離器的保 證傳播延遲、偏斜和功耗,即可利用這些數據來計算頂 層系統時序規格,就像任何標準數字集成電路一樣。也 可使用其他非光學技術,例如容性、射頻(RF)和巨磁阻 (GMR)耦合。

南宫28ng娱乐app下载-南宫28官网入口-南宫28ng娱乐官网-ng28南宫娱乐app-南宫国际app 由于磁性數字隔離器大部分功率消耗于從一個狀態切換 至另一狀態時,故功耗與工作頻率呈比例關系。因此, 處于空閑狀態或者開關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處于關閉狀態時電路始終處于空閑狀 態,以將功耗降至較低。

南宫28ng娱乐app下载-南宫28官网入口-南宫28ng娱乐官网-ng28南宫娱乐app-南宫国际app 光耦合器技術進入市場已超過30年;一些工程師對轉向 新的隔離器技術保持謹慎。大多數制造商都要將產品提 交監管機構批準,并清楚展示其隔離器通過了哪些標 準。諸如ADI公司數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 列隔離器的機構認證。

表1.ADI公司ADuM140x系列數字隔離器的監管機構認證。
UL CSA VDE TüV
Recognized under 1577 Component Recognition Program Approved under CSA Component Acceptance Notice #5A Certified according to DIN V VDE V 0884-10 (VDE V 0884- 10):2006-12 Approved according to IEC 61010-1:2001 (2nd Edition), EN 61010-1:2001 (2nd Edition) UL 61010-1:2004 CSA C22.2.61010.1:2005
Double/reinforced insulation, 2500 Vrms isolation voltage Basic insulation per CSA 60950-1-03 and IEC 60950-1, 800 V rms (1131 V peak) maximum working voltage reinforced insulation per CSA 60950-1-03 and IEC 60950-1, 400 V rms (566 V peak) maximum working voltage Reinforced insulation, 560 V peak Reinforced insulation, 400 V rms maximum working voltage

其他問題涉及數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規格為1至10 kV/s,而磁性數字隔離 器可抑制35 kV/s以上的共模瞬變。

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)的電流才可能觸發故障輸出。理論上,產生錯誤 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

高速運行

當隔離測量系統使用高采樣速率時,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的時序規格。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 規格意味著您必須做出工程設計假設。與依賴非印制規 格的情況相同,大多數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據 手冊指示的性能。

南宫28ng娱乐app下载-南宫28官网入口-南宫28ng娱乐官网-ng28南宫娱乐app-南宫国际app 使用數字隔離器的另一優勢是,產品可采用4通道器件 形式,保證速度最高可達150 Mbps。另外,數字隔 離器制造商都在數據手冊的時序部分提供了保證通道間 匹配規格。例如,ADI公司的ADuM344x隔離器在整個 工作溫度范圍內的保證通道間傳播延遲失配小于2 ns。 實際使用中,這意味著可以在數據手冊列出的速度下使 用數字隔離器,而無需針對較大或未知的器件間或通道 間偏斜來下調系統性能。

集成

由于數字隔離器技術兼容標準CMOS工藝,因此,集成 額外的功能以簡化系統設計相對較容易。例如,傳統的 熱電偶測量器件可能用多個光耦合器來實現低速SPI接 口,并用具有驅動器和調節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字隔離器( 如 ADuM5401),整個隔離系統成為帶四個數據通道和隔 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,節省了大量電路板空 間,降低了成本。

許多儀器內置隔離式RS-485端口,用于遠程監控或控 制。幾年前,實現這樣的隔離端口不但需要為數據線路 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。

南宫28ng娱乐app下载-南宫28官网入口-南宫28ng娱乐官网-ng28南宫娱乐app-南宫国际app 圖3.可以用單個ADM2682E實現全雙工、隔離式RS-485接口

總結

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問 題。在過去幾年中,數字隔離技術的進步大大簡化了這 一任務。數字隔離技術具有成本低、性能高、易用、集 成度高的特點,有助于工程師按時完成開發進度。另 外,監管機構認證以及承受高干擾水平的能力使其非常 適合工業測量系統中常見的長壽命產品。

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