工業環境中使用的測量設備通常需要隔離，以確保用戶和系統安全，并確保在存在高共模電壓的情況下進行精確測量。數字隔離器為光耦合器等舊技術提供了一種可靠且易于使用的替代方案。利用數字隔離器，工程師可以優化隔離系統設計，以降低功耗并保證系統性能，而無需訴諸過多的設計裕量來彌補器件規格缺失或不完整的問題。

介紹

設計隔離的測量儀器具有挑戰性，有時甚至令人沮喪。隔離式前端可保護用戶免受測量系統上存在的潛在致命電壓的影響，并允許工程師在存在高共模電壓的情況下進行精確測量。圖1顯示了這種測量的典型示例。在高壓燃料電池或電池組中，了解各個電池電壓有助于確保系統安全運行并獲得盡可能長的電池壽命。在確定單個電池的電壓時，我們必須在高達幾百伏的共模電壓下測量它。當用熱電偶測量載流導體的溫度時，也會發生類似的情況。在本例中，系統必須測量毫伏信號分辨率，同時抑制高水平的共模60 Hz噪聲，并保護操作員免受任何危險電壓的影響。

圖1.使用隔離式前端測量高壓堆棧中單個電池的電壓。

隔離放大器是這個問題的初步解決方案，但由于需要更高帶寬和分辨率的測量，隔離放大器已經過時。目前，執行這些測量的最準確、最經濟、最有效的技術是隔離整個測量前端，包括模數轉換器（ADC），并實現與系統其余部分的隔離串行鏈路，如圖1所示。該鏈路可以是本地總線（如 SPI），也可以是工業協議（如 RS-485），用于將測量數據長距離發送到控制器單元。

可靠性設計

直到大約十年前，光耦合器還是為數不多的用于隔離數字信號的實用解決方案之一。但是，詢問任何必須與他們一起設計的工程師，您將很快了解到開發高效可靠的系統是多么具有挑戰性，尤其是在試圖將成本降至最低時。光耦合器使用LED產生穿過隔離柵的光，以打開和關閉光電晶體管。使用光耦合器進行設計時，必須保證LED將產生足夠的光來打開接收光電晶體管，并且輸出上升和下降時間足夠快，以支持在所需頻率下工作。最重要的光耦合器規格之一是電流傳輸比（CTR）。CTR是出現在光電晶體管上的集電極電流與通過LED的電流之比。

光耦合器CTR不僅具有非常寬的容差，而且還會隨著時間和溫度而降低。為了保證光耦合器在服務數年后繼續工作，并且在高溫下，工程師必須假設最差的CTR，這本身就具有挑戰性，因為光耦合器數據手冊僅列出了室溫下的CTR規格。例如，典型光耦合器的規格表列出了25°C時50%–600%的保證CTR。 此外，大多數數據手冊都包含一個典型圖表，顯示80°C時的CTR僅為20°C時CTR的50%左右。 實際上，沒有數據手冊包含85°C時的最小CTR，因此您必須對它進行假設。此外，一些研究對CTR隨時間下降進行了建模，但這是數據手冊上找不到的另一個規格，因此您必須決定增加多少額外的設計裕量，以便最終產品在其預期使用壽命內可靠運行。設計一個魯棒的隔離器電路意味著您必須做出許多工程假設，需要以增加電流消耗和降低工作速度的形式進行權衡，以便在產品的整個生命周期內為可靠運行留出足夠的余量。

數字隔離器使用非光學方式跨越隔離柵發送數據。例如，ADI公司的隔離器使用微變壓器技術在隔離柵上發送脈沖，并且不會受到光耦合器相關的時間和溫度下降效應的影響。這樣就可以在器件的整個工作溫度范圍內發布保證的最小和最大功耗、傳播延遲和脈沖失真規格。擁有完整的規格，無需在工作條件下對光耦合器進行廣泛的特性測試，而是使用數據手冊信息來計算最壞情況的系統性能。您可以簡單地查看數字隔離器的保證傳播延遲、偏斜和功耗，并使用這些數據來計算頂級系統時序規格，就像任何標準數字集成電路一樣。其他非光學技術，如電容式、射頻 （RF） 和巨磁阻 （GMR） 耦合也可用。

由于磁性數字隔離器在從一種狀態切換到另一種狀態時會消耗大部分功率，因此功耗與工作頻率成比例。因此，空閑或以非常低的速度切換的通道消耗的功率非常少。一旦確定了應用的最大串行時鐘速率，就可以設計一個電源來提供足夠的電流來支持該速率。使用光耦合器進行設計時，必須確保電路始終在LED處于關斷狀態時空閑，以最大限度地降低系統功耗。

光耦合器技術已經問世30多年;一些工程師對改用新的隔離器技術持謹慎態度。大多數制造商將其產品提交給監管機構批準，并清楚地表明其隔離器已根據哪些標準獲得批準。ADI公司的數字隔離器等器件使用聚酰亞胺作為絕緣體，這與許多光耦合器中使用的材料相同。在某些情況下，它們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），已經為數字隔離器制定了特定的標準。例如，表1顯示了ADuM140x系列隔離器的機構認證。

其他問題包括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中斷形式的瞬變的抗擾度。幸運的是，聚酰亞胺絕緣使ADI公司的數字隔離器能夠承受高達6 kV的浪涌長達10秒。由于隔離柵兩端的寄生電容較低，與其他技術相比，磁隔離器還具有出色的共模瞬變抗擾度（CMTI）。例如，典型的高速光耦合器的CMTI規格為1–10 kV/μs，而磁性數字隔離器可以抑制超過35 kV/μs的共模瞬變。

乍一看，對磁干擾的擔憂似乎是合理的，因為帶有微變壓器的隔離器使用磁場在隔離柵上傳輸脈沖。有人可能會認為足夠強的磁場可能會干擾脈沖，導致錯誤的輸出。然而，由于變壓器及其空芯的半徑非常小，因此需要非常大的磁場或非常高的頻率才能誘發故障。圖2顯示了仍能保證AD344x隔離器輸出無故障時的最大允許電流和頻率。例如，在距離器件 1 MHz 和 5 mm 時，需要超過 500 安培的電流才能觸發故障輸出。理論上產生錯誤輸出所需的幅度和頻率組合遠遠超出了絕大多數應用中的體驗。

圖2.ADuM344x最大允許電流和頻率，保證無差錯工作。

高速運行

當隔離式測量系統使用高采樣速率時，使用光耦合器隔離串行總線可能成為一項艱巨的任務。接收器光電二極管的寄生電容限制了光耦合器通過數字信號的速度。您可以通過增加來自LED的光量來更快地為寄生電容充電，但這會增加功耗。此外，很少有光耦合器為每個封裝提供兩個以上的通道，并且僅在相同的方向上提供，并且通常不包括與通道間匹配相關的時序規格。雖然假設同一封裝中的光耦合器之間匹配良好是合乎邏輯的，但沒有印刷規格意味著您必須做出工程假設。與依賴未印刷規格的情況一樣，大多數謹慎的工程師會選擇留出充足的設計裕量，在考慮單個光耦合器時，其工作性能遠低于數據手冊所顯示的性能。

使用數字隔離器的另一個優點是，產品可作為4通道器件提供，保證速度高達150 Mbps。此外，所有數字隔離器制造商都在數據手冊的時序部分提供了有保證的通道-通道匹配規格。例如，ADI公司的ADuM344x隔離器在整個工作溫度范圍內保證通道間傳播延遲失配小于2 ns。實際上，這意味著您可以以數據手冊中列出的速度使用數字隔離器，而無需針對較大或未知的器件間或通道間偏斜降低系統額定值。

集成

由于數字隔離器技術與標準CMOS工藝兼容，因此集成附加功能以簡化系統設計相對容易。例如，傳統的熱電偶測量器件可能使用多個光耦合器來實現低速SPI接口，以及帶有驅動器和穩壓器的隔離變壓器，為隔離前端供電。通過使用集成隔離電源的數字隔離器（如ADuM5401），整個隔離系統成為具有四個數據通道和隔離電源的單個集成電路。與使用分立式隔離器和隔離電源相比，這提高了可靠性并節省了大量電路板空間。

許多儀器都包括一個隔離的RS-485端口，用于遠程監視或控制。幾年前，實現這樣的隔離端口不僅需要數據線的隔離器，還需要與RS-485差分信號兼容的收發器和電源。圖3顯示了ADM2682E等單個IC如何將所有功能集成到單個封裝中。

圖3.您可以使用單個ADM2682E實現全雙工隔離式RS-485接口。

總結

由于光耦合器涉及技術挑戰，設計隔離式測量設備曾經是一項昂貴、具有挑戰性且有時令人沮喪的工作。在過去幾年中，數字隔離技術的進步使任務變得更加簡單。它們的低成本、更高的性能、易用性和集成性可幫助工程師滿足其開發計劃。此外，監管機構的認證和承受高水平干擾的能力使其成為工業測量系統典型的長產品壽命的理想選擇。

審核編輯：郭婷