簡(jiǎn)化工業(yè)應(yīng)用中的電路隔離

無(wú)干擾數(shù)據(jù)通信和個(gè)人安全是電子技術(shù)在典型工業(yè)環(huán)境中面臨的兩大挑戰(zhàn)。強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)、過(guò)電壓、瞬態(tài)電壓和高電磁兼容性(EMC)干擾是今天的事情。例如,如果通信電纜不順利地靠近頻率逆變器的控制電纜,則脈沖被電容耦合,通信電纜中的信號(hào)與頻率逆變器的脈沖模式振蕩。這種干擾可以很快達(dá)到可能發(fā)生嚴(yán)重故障甚至危及人員安全的程度。

例如,當(dāng)用熱電偶測(cè)量電動(dòng)機(jī)的溫度時(shí),產(chǎn)生毫伏范圍內(nèi)的電壓。如果這些電壓現(xiàn)在通過(guò)數(shù)米長(zhǎng)的電纜傳輸?shù)揭粋€(gè)中心控制單元,該控制單元指的是不同的地球電位,那么測(cè)量信號(hào)就會(huì)被電位差扭曲。

如果我們總結(jié)上述現(xiàn)象,就會(huì)出現(xiàn)以下四個(gè)挑戰(zhàn):

· 危險(xiǎn)電壓與使用者之間的安全屏障

· 空間電路間地面循環(huán)的分離

· 盡量減少共同模式的干擾

· 無(wú)干擾數(shù)據(jù)傳輸

圖1以圖表形式顯示數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的情況。為了滿足保護(hù)用戶危險(xiǎn)電壓的要求,并保證無(wú)干擾數(shù)據(jù)的傳輸,必須實(shí)現(xiàn)電隔離,以隔離區(qū)域,即。,就潛力而言----以便它們能夠單獨(dú)工作,從而不受干擾。數(shù)據(jù)流通過(guò)數(shù)字隔離器運(yùn)行。然而,電流隔離可以防止干擾和電位均衡電流

圖1:分離不同電位的孤立系統(tǒng)的基本概念

單獨(dú)測(cè)量電池電壓

分散記錄物理參數(shù)是目前的最新技術(shù)。然而,在對(duì)象上記錄數(shù)據(jù)往往是一個(gè)挑戰(zhàn),而且數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸往往是不可能的。數(shù)據(jù)必須記錄在物體上,使探測(cè)器不影響要測(cè)量的變量;否則,將會(huì)發(fā)生測(cè)量錯(cuò)誤。這就要求在電路中實(shí)現(xiàn)電氣脫鉤。此外,數(shù)據(jù)的有線傳輸必須是無(wú)電位和對(duì)稱的,以便傳輸不受電磁耦合和接地環(huán)的干擾。在這個(gè)應(yīng)用程序中,有意避免使用微控制器,以證明一個(gè)強(qiáng)大的,無(wú)干擾的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)很少努力使用模擬電路技術(shù)。

設(shè)計(jì)分為兩個(gè)電路:一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器。該傳感器能夠檢測(cè)到等于30伏的直流電壓。 最大值有一秒鐘的波動(dòng)。目前的耗電量最小化了,15V的電力供應(yīng)是發(fā)射機(jī)的85MA和接收機(jī)的25MA。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都是電隔離的--測(cè)量數(shù)據(jù)采集和信號(hào)傳輸路徑之間的發(fā)射機(jī),以及信號(hào)傳輸路徑和數(shù)據(jù)輸出之間的接收機(jī)。采用特殊的直流/直流電源模塊和帶電流隔離和低寄生耦合電容的數(shù)字隔離器實(shí)現(xiàn)了電路中的隔離。該信號(hào)通過(guò)一條雙線電纜在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間傳輸。根據(jù)電磁環(huán)境的影響,距離可以是幾百米.

發(fā)射電路設(shè)計(jì)

圖2顯示了發(fā)射機(jī)的框圖。電路分為六個(gè)街區(qū):

· 檢測(cè):測(cè)量傳感器與分壓器和放大器測(cè)量正極性和負(fù)極性(1)

· 級(jí)轉(zhuǎn)換器:電壓-射頻轉(zhuǎn)換器級(jí)轉(zhuǎn)換器(2)

· 電壓-射頻轉(zhuǎn)換器:數(shù)字輸出信號(hào),頻率取決于輸入電壓(3)

· 數(shù)字隔離器:測(cè)量電位和接口之間的電隔離(4)

· 接口緩沖:低阻線驅(qū)動(dòng)器與平衡輸出(5)

· 電源:直流/直流轉(zhuǎn)換器,探測(cè)頭(6)段的電流隔離轉(zhuǎn)換器

為確保功能可靠性,在探針側(cè)和驅(qū)動(dòng)輸出端都提供了瞬態(tài)保護(hù)和濾波器的措施;在直流/直流電源模塊前后也提供了低通濾波器,以有效地減弱射頻耦合。

圖2:電位無(wú)電壓測(cè)量發(fā)射機(jī)的框圖

接收器電路設(shè)計(jì)

圖3顯示了接收器的框圖。電路分為五個(gè)街區(qū):

· 輸入緩沖區(qū):信號(hào)接收,信號(hào)調(diào)節(jié)與均衡輸入.鏈接檢測(cè)器指示是否與發(fā)射機(jī)(1)有可檢測(cè)的連接。

· 數(shù)字隔離器:輸入信號(hào)與二次信號(hào)處理/輸出接口之間的電流隔離。輸入側(cè)緩沖區(qū)(2)的額外電流隔離電壓。

· 頻率到電壓轉(zhuǎn)換器:從數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生輸出電壓。電壓水平取決于輸入信號(hào)(3)的頻率.

· 具有極性顯示的接口緩沖:輸出信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換器.輸出信號(hào)具有正極性,極性指示器顯示輸入信號(hào)(4)的極性。

· 電源:用于二次電源(5)的直流/直流轉(zhuǎn)換器。

在接收人一節(jié)中也提供了許多緊急情況控制措施。從繞對(duì)電纜上輸入的信號(hào)具有瞬態(tài)保護(hù)和共模濾波器,可以有效地減弱電纜上的干擾。它周圍的電力供應(yīng)?直流轉(zhuǎn)換器 在輸入端和輸出端均配備了低通濾波器,以顯著減少直流/DC轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)操作所引起的來(lái)自電路內(nèi)外的電磁干擾。這確保了高信噪比和高水平的功能可靠性。

圖3:電位無(wú)電壓測(cè)量接收機(jī)的框圖

電容式數(shù)字隔離器

數(shù)字隔離器來(lái)自于 由主側(cè)的振蕩器和調(diào)制器組成。第二方是解調(diào)器和信號(hào)緩沖區(qū)。主側(cè)的組件通過(guò)電容式結(jié)構(gòu)與次級(jí)側(cè)的組件電隔離,該電容式結(jié)構(gòu)由硅氧化硅制成的隔離屏障 .該信號(hào)通過(guò)隔離屏障傳輸,采用的是一種被稱為"開(kāi)鎖"(OOK)的調(diào)制過(guò)程。集成到芯片中的振蕩器被用來(lái)調(diào)節(jié)輸入信號(hào),通過(guò)施密特觸發(fā)器運(yùn)行。調(diào)制器產(chǎn)生一個(gè)差動(dòng)信號(hào),通過(guò)電容絕緣線路傳輸。

在數(shù)字隔離器的世界中已經(jīng)建立了兩種通信結(jié)構(gòu):基于邊緣的和OOK的。原則上,它們可以被視為等同的方法。然而,根據(jù)應(yīng)用程序需求,兩個(gè)架構(gòu)之間的差異會(huì)影響決策。

在基于邊緣的體系結(jié)構(gòu)中,一旦數(shù)據(jù)信號(hào)被激活,就不再采樣輸入和輸出狀態(tài)。在發(fā)生電源故障或數(shù)據(jù)信號(hào)故障時(shí),這種行為可能導(dǎo)致錯(cuò)誤。因此,基于邊緣的方法需要集成刷新電路,以便在這些條件下最大限度地減少錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn),并擴(kuò)大輸出時(shí)的輸入狀態(tài)。

通過(guò)OOK,輸入變量被連續(xù)采樣并通過(guò)隔離屏障傳輸。由于輸入的連續(xù)采樣,如果供應(yīng)或輸入信號(hào)發(fā)生意外變化,輸出中不會(huì)出現(xiàn)任何錯(cuò)誤。對(duì)OOK來(lái)說(shuō),不需要額外的更新電路,就像對(duì)邊緣的一樣。

因此,兩種方法的第一個(gè)區(qū)別是能耗?；谶吘壍募軜?gòu)消耗較少的能源,因?yàn)樗槐徊蓸右淮?而Ook則需要永久性的能源。

第二個(gè)差異點(diǎn)是OOK調(diào)制方案在噪聲和瞬態(tài)行為方面提供了固有的優(yōu)勢(shì),具有更高的cmti值,并且由于連續(xù)采樣而增加了數(shù)據(jù)速率的好處。

概述:

· 基于邊緣的架構(gòu):損失減少,數(shù)據(jù)速率降低

· 開(kāi)鎖:故障安全性、改進(jìn)的CMI和更大的噪聲行為

圖4說(shuō)明了電路塊。該解調(diào)器位于該隔離器的第二側(cè),具有放大、濾波和重建輸入信號(hào)的功能。最小化信號(hào)延遲和信號(hào)失真.最后,緩沖區(qū)將信號(hào)從解調(diào)器輸出路由到總體輸出,從而緩沖區(qū)將信號(hào)放大到所需水平。

圖4:數(shù)字隔離器CDS18012X15411X的框圖

安全第一!在緊急情況下,數(shù)字隔離器應(yīng)該保護(hù)人們免受危險(xiǎn)電壓的影響。

因此,它們必須滿足最高的安全性和耐久性要求。德國(guó)VDER公司根據(jù)最新和要求最高的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證了CDIP和CDIS系列數(shù)字隔離器,該標(biāo)準(zhǔn)是DINEIN60747-17(VDED088-17):2021-10"用于基本絕緣和強(qiáng)化絕緣的磁和電容耦合器"(見(jiàn)表1)。

參數(shù)IEC 60747-17 (VDE 0884-17)

Table 1: IEC 60747-17 (VDE 0884-17)

但是,"基本"和"強(qiáng)化"這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)對(duì)于一個(gè)人的安全意味著什么呢?這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)本身只給出了一個(gè)相當(dāng)抽象的定義--請(qǐng)參閱國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)第60747-17:202X:

我們什么時(shí)候選擇基本隔離還是強(qiáng)化隔離?簡(jiǎn)而言之,"單一故障情況"和"正常運(yùn)行情況"在這里是重要的。強(qiáng)化絕緣保證在正常操作中即使在單一故障情況下也能防止電擊。基本絕緣只有在正常操作中才有效,即:,不考慮單一的過(guò)失。

線性轉(zhuǎn)移特性

圖5顯示了被測(cè)電壓與輸出時(shí)顯示的電壓之間的關(guān)系。整個(gè)輸入電壓范圍從-30V到30V的傳輸特性幾乎是線性的。所顯示的設(shè)計(jì)包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的電路板連接通過(guò)一個(gè)繞對(duì)電纜,因此是一個(gè)合適的解決方案,以電流隔離數(shù)據(jù)采集和傳輸。

圖5:從發(fā)射機(jī)輸入到接收機(jī)輸出的傳輸特性幾乎是線性的,整個(gè)輸入電壓范圍從-30V到30V。