利用數(shù)字隔離器簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并確保系統(tǒng)可靠性

內(nèi)容提要

工業(yè)環(huán)境中使用的測(cè)量器件往往需要進(jìn)行隔離以確保用戶和系統(tǒng)安全，同時(shí)也是為了保證在高共模電壓下獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。數(shù)字隔離器為光耦合器一類的較老技術(shù)提供了一種可靠、易用的替代方案。利用數(shù)字隔離器，工程師們可以優(yōu)化隔離系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以降低功耗、保證系統(tǒng)性能，同時(shí)無(wú)需借助額外的設(shè)計(jì)裕量來(lái)補(bǔ)償缺失或不完整的器件規(guī)格。

簡(jiǎn)介

設(shè)計(jì)隔離測(cè)量?jī)x器頗具挑戰(zhàn)性，有時(shí)甚至?xí)钊司趩什灰选８綦x前端可以保護(hù)用戶免受測(cè)量系統(tǒng)中可能存在的致命電壓的傷害，同時(shí)允許工程師在高共模電壓下進(jìn)行精確的測(cè)量。圖1所示為此類測(cè)量的一個(gè)典型示例。在高壓燃料電池或電池組中，了解單個(gè)電池的電壓有助于確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行，同時(shí)可以最大限度地延長(zhǎng)電池壽命。在確定單個(gè)電池的電壓時(shí)，我們必須在高達(dá)數(shù)百伏特的共模電壓下進(jìn)行測(cè)量。在用熱電偶測(cè)量載流導(dǎo)體的溫度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)類似的情況。在本例中，系統(tǒng)必須具備測(cè)量毫伏級(jí)信號(hào)分辨率的能力，同時(shí)抑制高電平的60 Hz共模噪聲，并保護(hù)操作員不受任何危險(xiǎn)電壓的傷害。

最初人們用隔離放大器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但隨著測(cè)量帶寬和分辨率的增長(zhǎng)，這種解決方案已經(jīng)過(guò)時(shí)?，F(xiàn)在，執(zhí)行此類測(cè)量的最精確、最經(jīng)濟(jì)、最高效技術(shù)是隔離整個(gè)測(cè)量前端(包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC))，并對(duì)系統(tǒng)其余部分實(shí)施隔離串行鏈路，如圖1所示。該鏈路可以是一個(gè)局部總線(如SPI)，也可以是工業(yè)協(xié)議(如RS-485)，用以將測(cè)量數(shù)據(jù)長(zhǎng)距離傳輸至控制器單元。

圖1. 用隔離前端測(cè)量高壓電池組中單個(gè)電池的電壓

可靠性設(shè)計(jì)

直到大約10年前，光耦合器仍然是隔離數(shù)字信號(hào)的少數(shù)可行解決方案之一。然而，如果問(wèn)一問(wèn)不得不用光耦合器進(jìn)行設(shè)計(jì)的工程師，您就會(huì)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(shí)。光耦合器使用LED來(lái)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(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證LED能產(chǎn)生足夠的光來(lái)接通接收光電晶體管，同時(shí)，輸出上升和下降時(shí)間也要足夠快，以支持目標(biāo)頻率下的操作。光耦合器最重要的一個(gè)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(guò)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(huì)隨著時(shí)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(shè)最差情況下的CTR，這本身就極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)楣怦詈掀?strong>數(shù)據(jù)手冊(cè)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(cè)都包含典型圖表，顯示80°C時(shí)的CTR僅為20°C時(shí)的 CTR的大約 50%。事實(shí)上，沒(méi)有數(shù)據(jù)手冊(cè)會(huì)列出 85°C時(shí)的最小CRT，因此，您必須對(duì)該值做出假設(shè)。另外，有些研究對(duì) CTR隨時(shí)間發(fā)生的下降進(jìn)行了模擬，但該規(guī)格同樣未列于數(shù)據(jù)手冊(cè)中，因此，您必須決定增加多少額外的設(shè)計(jì)裕量，以保證最終產(chǎn)品能在預(yù)期壽命范圍內(nèi)可靠地運(yùn)行。設(shè)計(jì)一個(gè)魯棒的隔離器電路意味著，您必須做出許多工程設(shè)計(jì)假設(shè)，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(gè)壽命期間可靠運(yùn)行。

數(shù)字隔離器使用非光學(xué)方式來(lái)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(lái)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(shí)間和溫度下降效應(yīng)。這樣，可以針對(duì)器件的整個(gè)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(duì)光耦合器進(jìn)行廣泛的特性測(cè)試，可以直接使用數(shù)據(jù)手冊(cè)中的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)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(lái)計(jì)算頂層系統(tǒng)時(shí)序規(guī)格，就像任何標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字集成電路一樣。也可使用其他非光學(xué)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(jī)構(gòu)認(rèn)證。

ULCSAVDETÜV

1577器件認(rèn)可程序認(rèn)可雙重/加強(qiáng)絕緣， 2500 Vrms隔離電壓CSA元件驗(yàn)收通知#5A批準(zhǔn) 基本絕緣符合CSA 60950-1-03和IEC 60950-1標(biāo)準(zhǔn)，800 V rms(1131 V峰值)最大工作電壓;加強(qiáng)絕緣符合CSA 60950-1-03和IEC 60950-1標(biāo)準(zhǔn)，400 V rms(566 V峰值)最大工作電壓DIN V VDE V 0884-10 (VDE V 0884-10):2006-12認(rèn)證加強(qiáng)絕緣，560 V峰值通過(guò)IEC 61010-1:2001(第2版)、 EN 61010-1:2001(第2版)、 UL 61010-1:2004和 CSA C22.2.61010.1:2005標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證加強(qiáng)絕緣，400 V rms最大工作電壓

由于磁性數(shù)字隔離器大部分功率消耗于從一個(gè)狀態(tài)切換至另一狀態(tài)時(shí)，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(yīng)用的最大串行時(shí)鐘速率，即可設(shè)計(jì)電源來(lái)提供支持該速率的充足電流。在利用光耦合器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須確保LED處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)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(jìn)入市場(chǎng)已超過(guò)30年;一些工程師對(duì)轉(zhuǎn)向新的隔離器技術(shù)保持謹(jǐn)慎。大多數(shù)制造商都要將產(chǎn)品提交監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)，并清楚展示其隔離器通過(guò)了哪些標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，而在其他情況下(如VDE V 0884-10)，則專門針對(duì)數(shù)字隔離器制定了具體標(biāo)準(zhǔn)。例如，表1展示了ADuM140x系列隔離器的機(jī)構(gòu)認(rèn)證。

其他問(wèn)題涉及數(shù)字隔離器承受過(guò)壓浪涌的能力，以及它們對(duì)共模電壓和磁場(chǎng)干擾形式的瞬變的抗干擾能力。幸運(yùn)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(dá)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(duì)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/μs，而磁性數(shù)字隔離器可抑制35 kV/μs以上的共模瞬變。

乍一看，對(duì)磁場(chǎng)干擾的擔(dān)心似乎非常合理，因?yàn)椴捎梦⒆儔浩鞯母綦x器利用磁場(chǎng)來(lái)橫跨隔離柵發(fā)射脈沖。有人可能認(rèn)為，足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)可能會(huì)干擾脈沖，從而導(dǎo)致輸出錯(cuò)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(chǎng)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(wú)故障。例如，只有超過(guò)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(cuò)誤輸出所需要的幅度和頻率組合遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了絕大多數(shù)應(yīng)用的范圍。[!--empirenews.page--]

圖2.ADuM344x可保證無(wú)錯(cuò)運(yùn)行的最大容許電流和頻率

高速運(yùn)行

當(dāng)隔離測(cè)量系統(tǒng)使用高采樣速率時(shí)，用光耦合器隔離串行總線可能是比較困難的任務(wù)。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(hào)的速度。您可以通過(guò)增加來(lái)自LED的光量來(lái)提高該寄生電容的充電速度，但這樣做會(huì)增加功耗。另外，很少有光耦合器在每個(gè)封裝內(nèi)只沿同一方向提供兩個(gè)以上的通道，而且通常不包括與通道間匹配相關(guān)的時(shí)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(shè)計(jì)假設(shè)。與依賴非印制規(guī)格的情況相同，大多數(shù)謹(jǐn)慎的工程師會(huì)選擇留出充足的設(shè)計(jì)裕量，工作性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于采用單個(gè)光耦合器時(shí)數(shù)據(jù)手冊(cè)指示的性能。

使用數(shù)字隔離器的另一優(yōu)勢(shì)是，產(chǎn)品可采用4通道器件形式，保證速度最高可達(dá)150 Mbps。另外，所有數(shù)字隔離器制造商都在數(shù)據(jù)手冊(cè)的時(shí)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(gè)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(shí)際使用中，這意味著可以在數(shù)據(jù)手冊(cè)列出的速度下使用數(shù)字隔離器，而無(wú)需針對(duì)較大或未知的器件間或通道間偏斜來(lái)下調(diào)系統(tǒng)性能。

圖3.可以用單個(gè)ADM2682E實(shí)現(xiàn)全雙工、隔離式RS-485接口

集成

由于數(shù)字隔離器技術(shù)兼容標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，因此，集成額外的功能以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)較容易。例如，傳統(tǒng)的熱電偶測(cè)量器件可能用多個(gè)光耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)低速SPI接口，并用具有驅(qū)動(dòng)器和調(diào)節(jié)器的隔離變壓器來(lái)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(gè)隔離系統(tǒng)成為帶四個(gè)數(shù)據(jù)通道和隔離電源的單個(gè)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。

許多儀器內(nèi)置隔離式RS-485端口，用于遠(yuǎn)程監(jiān)控或控制。幾年前，實(shí)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(hào)和電源的收發(fā)器。圖 3顯示了像 ADM2682E這樣的單個(gè) IC如何將所有功能集成到單個(gè)封裝之中。

總結(jié)

過(guò)去，設(shè)計(jì)隔離式測(cè)量設(shè)備是一種昂貴、困難、有時(shí)甚至令人沮喪的任務(wù)，因?yàn)?strong>光耦合器存在諸多的技術(shù)問(wèn)題。在過(guò)去幾年中，數(shù)字隔離技術(shù)的進(jìn)步大大簡(jiǎn)化了這一任務(wù)。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(diǎn)，有助于工程師按時(shí)完成開發(fā)進(jìn)度。另外，監(jiān)管機(jī)構(gòu)認(rèn)證以及承受高干擾水平的能力使其非常適合工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)中常見的長(zhǎng)壽命產(chǎn)品。