有效簡化模擬信號隔離應(yīng)用中隔離放大器設(shè)計的黃金法則

在電機(jī)和電子設(shè)計中經(jīng)常需要對模擬信號進(jìn)行隔離。模擬信號可以承載代表電壓、電流、溫度、壓力、位置和流量等物理世界的信息，這些模擬信號通常必須在具有較大電平差，或者模塊接地面間具有感應(yīng)電氣噪聲的場合，由一個電路模塊傳送到另一個。這些常見的電路問題可能會影響數(shù)據(jù)的精確性、破壞測量系統(tǒng)，甚至于威脅到使用者的安全。
 

隔離放大器提供了一個可以解決這些問題的簡單且高性價比的方案。這個方案通過采用Sigma-Delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器和光電耦合技術(shù)，在電氣隔離屏障后精確地重建輸入信號。采用微型化可自動插入封裝供貨，使用這些隔離放大器進(jìn)行設(shè)計就如同將信號連接到輸入并取得隔離后輸出一樣簡單(參見圖1)。

圖1：隔離放大器在模擬信號隔離電路中的使用。

部分使用隔離放大器的應(yīng)用包括模數(shù)轉(zhuǎn)換接口、熱電偶和轉(zhuǎn)換器等感應(yīng)電路、病患監(jiān)測設(shè)備、電機(jī)速度和位置測量電路、音頻和視頻放大器，以及電源供應(yīng)器中的電壓反饋等。圖2顯示了隔離放大器應(yīng)用在電機(jī)控制系統(tǒng)中作為電流傳感器的典型應(yīng)用，基于這個電路，我們將討論幾個“應(yīng)該和不應(yīng)該”的做法，幫助大家利用隔離放大器輕松實現(xiàn)模擬信號隔離設(shè)計。

圖2：電機(jī)控制電路中使用的隔離放大器電流傳感器。

電源供電

應(yīng)該為隔離放大器VDD1和VDD2提供獨立電源 在圖2的電路中，來自于高壓(或高電位)端的信號必須和低壓(低電位)端隔離，同樣的VDD1和VDD2電源也一樣需要隔離。在這個例子中，高電壓端電源VDD1可以由推動高電壓端功率晶體管的電源供應(yīng)器取得，而在低電壓端，VDD2則可以連接到通常會和交流市電隔離的控制器電源。同樣的，GND1和GND2也應(yīng)該各自獨立。

不應(yīng)該忽略VDD1和VDD2的旁路電容 ACPL-C78X使用Sigma-Delta過采樣技術(shù)將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為可以通過光學(xué)屏障傳送的高速位流，在輸出端，這個位流再通過模擬濾波器過濾并重建輸入信號。需要旁路電容的主要原因在于隔離放大器中信號的高速數(shù)字特性。在印刷電路板上，旁路電容C1和C3必須盡可能地接近各自的隔離放大器引腳。

注應(yīng)該意電源接腳上的電壓瞬變 電源連接線上過大的電壓瞬變可能造成電氣過載情況下器件的損壞，電源引腳上的浪涌也可能會觸發(fā)器件進(jìn)入鎖定(latch-up)狀態(tài)。除了在電源引腳上連接旁路電容外，也可以通過其他方式來減輕電源上的噪聲和紋波，例如在穩(wěn)壓器的輸入上串接一個電阻或電感，就可以和穩(wěn)壓器的輸入旁路電容形成一個低通濾波器來減輕紋波。

連接輸入端

應(yīng)該在輸入端加入RC抗混疊濾波器 在輸入端加入抗混疊濾波器，如圖2中由R2和C2所構(gòu)成的RC低通濾波器，可以避免高頻噪聲混疊到較低頻率，造成輸入信號的干擾。RC低通濾波器也在可靠性上扮演了非常重要的角色，它可以有效減輕靜電放電和電氣過載時流經(jīng)隔離放大器輸入電路的瞬變浪涌。

應(yīng)該采用差動輸入模式以取得較佳共模噪聲抑制能力 在圖2中，ACPL-C78X采用了單端輸入方式連接。由于該隔離放大器擁有全差分式輸入結(jié)構(gòu)，因此建議使用差分輸入連接方式，如圖3中的平衡輸入模式來取得較好的性能。兩根引腳上信號取樣時的開關(guān)動作所帶來的輸入電流會在濾波器電阻上取得平衡并且相互抵消，感應(yīng)到其中任何一根引腳上的噪聲會通過電容C耦合到另一根而形成共模噪聲，隔離放大器對此共模噪聲加以抑制從而防止其對輸出信號造成干擾。RA和RB的典型值為22Ω，C則為10nF。

圖3：經(jīng)過簡化的差分輸入連接。

在高噪聲應(yīng)用中使用隔離放大器應(yīng)該注意閂鎖效應(yīng) CMOS器件的閂鎖效應(yīng)風(fēng)險必須要仔細(xì)考慮，特別是直接連接到易受經(jīng)常出現(xiàn)瞬變噪聲影響的信號源時。ACPL-C78X的模擬輸入結(jié)構(gòu)在設(shè)計上考慮了經(jīng)常發(fā)生在高噪聲應(yīng)用環(huán)境，例如電機(jī)驅(qū)動設(shè)備和其他電源逆變系統(tǒng)中的瞬變和浪涌，其它可能在輸入上造成電壓瞬變的場合包括短路和過載。ACPL-C78X經(jīng)過-2V到6V的直流電壓測試，加上高達(dá)-6V的瞬變電壓兩秒鐘，并未發(fā)生閂鎖反應(yīng)或器件受損的情況[1]。

應(yīng)該檢查VIN+和VIN-到GND1接地的輸入共模電壓 隔離放大器的差模輸入采用全差分開關(guān)電容電路實現(xiàn)。與使用具備差分式輸入的隔離放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器類似，設(shè)計工程師必須了解通常會在數(shù)據(jù)手冊中標(biāo)明的輸入共模電壓。舉例來說，ACPL-C78X的產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊就標(biāo)明VIN+和VIN-的工作輸入電壓限制為±2V，超過這個限制就可能會損害增益和系統(tǒng)的性能[1]。

隔離

不應(yīng)該混淆隔離電壓和工作電壓 在設(shè)計模擬信號隔離電路時，設(shè)計工程師必須考慮到隔離放大器的隔離電壓和連續(xù)工作電壓，以確保產(chǎn)品符合相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)。隔離電壓代表了在輸入和輸出上可以短暫承受的電壓大小，依UL 1577標(biāo)準(zhǔn)，Avago的每一個隔離放大器都通過加上大于或等于1.2倍額定電壓一秒鐘進(jìn)行驗證和安全性測試，泄漏電流? 5μA，例如通過5000Vrms[2]驗證的ACPL-C78A在批量生產(chǎn)測試中，每個器件都以≥6000Vrms進(jìn)行一秒鐘測試。隔離電壓是一個不應(yīng)該被視為輸入輸出連續(xù)電壓的絕緣電壓規(guī)格。

工作電壓則是系統(tǒng)保證可以持續(xù)安全工作而不會傷害隔離屏障的最高電壓值，依IEC/EN/DIN EN 60747-5-2，ACPL-C78X系列的最高工作絕緣電壓為1140Vpeak，并且可以在806Vrms下連續(xù)工作。如果需要1000Vrms的工作電壓，那么可以使用HCNR201[3]，如果891Vpeak就可以滿足設(shè)計要求，HCPL-7800A[4]也可以是一個選擇。HCNR201和HCPL-7800A都是安華高科技公司所提供的高線性模擬光電耦合器產(chǎn)品。

電流感應(yīng)的分流器選擇

搭配分流電阻，隔離放大器可以形成隔離電流傳感器，分流器的選擇通常是在最低功耗和最大精確性間進(jìn)行折中。較小的電阻值可以降低功率耗損，但較大的電阻值則可以通過使用隔離放大器的完整輸入范圍來改善電路的精確性。由分流器在正常工作情況下可以承受的峰植電流和隔離放大器的目標(biāo)輸入范圍，我們可以使用歐姆定律來計算出分流電阻的大小。

應(yīng)該注意分流電阻隨溫度和時間的漂移 在決定分流電阻值后，我們還必須仔細(xì)考慮有關(guān)電阻本身誤差和穩(wěn)定性限制等相關(guān)的重要參數(shù)，在典型的電流感應(yīng)應(yīng)用環(huán)境中，使用?1%誤差的產(chǎn)品基本上已經(jīng)足夠，如果需要更高的精確性，也可以選擇?0.1%甚至誤差更低的產(chǎn)品，或者采用調(diào)校方式來消除初始誤差。

調(diào)校可以將分流電阻本身誤差值所帶來的測量誤差消除，但卻無法解決因溫度和時間所造成的電阻漂移問題。電阻的溫度系數(shù)(TCR)是用來描述特定溫度范圍內(nèi)因環(huán)境溫度改變所造成的電阻值變化，50ppm/oC的分流電阻是常見的選擇，市面上也提供有10ppm/oC的分流電阻產(chǎn)品，我們可以參考相關(guān)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊對它的工作條件進(jìn)行研究，并留意有時可能出現(xiàn)的非線性響應(yīng)。

不應(yīng)該只注意標(biāo)稱功率規(guī)格 分流器的額定功率是一個非常重要的選擇條件，在設(shè)計中，分流器上的功率消耗可以通過I(rms)2xR得出，脈沖電流所造成的功率耗損也應(yīng)該加入計算。查看分流電阻規(guī)格時，如果考慮到環(huán)境溫度，設(shè)計工程師必須注意標(biāo)稱額定功率外的情況，并參考功率下滑曲線。另外，和直接采用氣流散熱的產(chǎn)品比較，部分分流電阻還可以加上散熱片來有效強(qiáng)化可以處理的功率等級，因此最好使用具備足夠功率處理能力的分流電阻以保留設(shè)計的安全余?？臻g。