工業(yè)環(huán)境中使用的測(cè)量設(shè)備通常需要隔離，以確保用戶和系統(tǒng)安全，并確保在存在高共模電壓的情況下進(jìn)行精確測(cè)量。數(shù)字隔離器為光耦合器等舊技術(shù)提供了一種可靠且易于使用的替代方案。利用數(shù)字隔離器，工程師可以優(yōu)化隔離系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以降低功耗并保證系統(tǒng)性能，而無(wú)需訴諸過(guò)多的設(shè)計(jì)裕量來(lái)彌補(bǔ)器件規(guī)格缺失或不完整的問(wèn)題。

介紹

設(shè)計(jì)隔離的測(cè)量?jī)x器具有挑戰(zhàn)性，有時(shí)甚至令人沮喪。隔離式前端可保護(hù)用戶免受測(cè)量系統(tǒng)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(jìn)行精確測(cè)量。圖1顯示了這種測(cè)量的典型示例。在高壓燃料電池或電池組中，了解各個(gè)電池電壓有助于確保系統(tǒng)安全運(yùn)行并獲得盡可能長(zhǎng)的電池壽命。在確定單個(gè)電池的電壓時(shí)，我們必須在高達(dá)幾百伏的共模電壓下測(cè)量它。當(dāng)用熱電偶測(cè)量載流導(dǎo)體的溫度時(shí)，也會(huì)發(fā)生類似的情況。在本例中，系統(tǒng)必須測(cè)量毫伏信號(hào)分辨率，同時(shí)抑制高水平的共模60 Hz噪聲，并保護(hù)操作員免受任何危險(xiǎn)電壓的影響。

圖1.使用隔離式前端測(cè)量高壓堆棧中單個(gè)電池的電壓。

隔離放大器是這個(gè)問(wèn)題的初步解決方案，但由于需要更高帶寬和分辨率的測(cè)量，隔離放大器已經(jīng)過(guò)時(shí)。目前，執(zhí)行這些測(cè)量的最準(zhǔn)確、最經(jīng)濟(jì)、最有效的技術(shù)是隔離整個(gè)測(cè)量前端，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），并實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)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(yè)協(xié)議（如 RS-485），用于將測(cè)量數(shù)據(jù)長(zhǎng)距離發(fā)送到控制器單元。

可靠性設(shè)計(jì)

直到大約十年前，光耦合器還是為數(shù)不多的用于隔離數(shù)字信號(hào)的實(shí)用解決方案之一。但是，詢問(wèn)任何必須與他們一起設(shè)計(jì)的工程師，您將很快了解到開(kāi)發(fā)高效可靠的系統(tǒng)是多么具有挑戰(zhàn)性，尤其是在試圖將成本降至最低時(shí)。光耦合器使用LED產(chǎn)生穿過(guò)隔離柵的光，以打開(kāi)和關(guān)閉光電晶體管。使用光耦合器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證LED將產(chǎn)生足夠的光來(lái)打開(kāi)接收光電晶體管，并且輸出上升和下降時(shí)間足夠快，以支持在所需頻率下工作。最重要的光耦合器規(guī)格之一是電流傳輸比（CTR）。CTR是出現(xiàn)在光電晶體管上的集電極電流與通過(guò)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(huì)隨著時(shí)間和溫度而降低。為了保證光耦合器在服務(wù)數(shù)年后繼續(xù)工作，并且在高溫下，工程師必須假設(shè)最差的CTR，這本身就具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)楣怦詈掀鲾?shù)據(jù)手冊(cè)僅列出了室溫下的CTR規(guī)格。例如，典型光耦合器的規(guī)格表列出了25°C時(shí)50%–600%的保證CTR。 此外，大多數(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)都包含一個(gè)典型圖表，顯示80°C時(shí)的CTR僅為20°C時(shí)CTR的50%左右。 實(shí)際上，沒(méi)有數(shù)據(jù)手冊(cè)包含85°C時(shí)的最小CTR，因此您必須對(duì)它進(jìn)行假設(shè)。此外，一些研究對(duì)CTR隨時(shí)間下降進(jìn)行了建模，但這是數(shù)據(jù)手冊(cè)上找不到的另一個(gè)規(guī)格，因此您必須決定增加多少額外的設(shè)計(jì)裕量，以便最終產(chǎn)品在其預(yù)期使用壽命內(nèi)可靠運(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假設(shè)，需要以增加電流消耗和降低工作速度的形式進(jìn)行權(quán)衡，以便在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi)為可靠運(yùn)行留出足夠的余量。

數(shù)字隔離器使用非光學(xué)方式跨越隔離柵發(fā)送數(shù)據(jù)。例如，ADI公司的隔離器使用微變壓器技術(shù)在隔離柵上發(fā)送脈沖，并且不會(huì)受到光耦合器相關(guān)的時(shí)間和溫度下降效應(yīng)的影響。這樣就可以在器件的整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)發(fā)布保證的最小和最大功耗、傳播延遲和脈沖失真規(guī)格。擁有完整的規(guī)格，無(wú)需在工作條件下對(duì)光耦合器進(jìn)行廣泛的特性測(cè)試，而是使用數(shù)據(jù)手冊(cè)信息來(lái)計(jì)算最壞情況的系統(tǒng)性能。您可以簡(jiǎn)單地查看數(shù)字隔離器的保證傳播延遲、偏斜和功耗，并使用這些數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算頂級(jí)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。其他非光學(xué)技術(shù)，如電容式、射頻 （RF） 和巨磁阻 （GMR） 耦合也可用。

由于磁性數(shù)字隔離器在從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)時(shí)會(huì)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(yīng)用的最大串行時(shí)鐘速率，就可以設(shè)計(jì)一個(gè)電源來(lái)提供足夠的電流來(lái)支持該速率。使用光耦合器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須確保電路始終在LED處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)空閑，以最大限度地降低系統(tǒng)功耗。

光耦合器技術(shù)已經(jīng)問(wèn)世30多年;一些工程師對(duì)改用新的隔離器技術(shù)持謹(jǐn)慎態(tài)度。大多數(shù)制造商將其產(chǎn)品提交給監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)，并清楚地表明其隔離器已根據(jù)哪些標(biāo)準(zhǔn)獲得批準(zhǔn)。ADI公司的數(shù)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，而在其他情況下（如VDE V 0884-10），已經(jīng)為數(shù)字隔離器制定了特定的標(biāo)準(zhǔn)。例如，表1顯示了ADuM140x系列隔離器的機(jī)構(gòu)認(rèn)證。

其他問(wèn)題包括數(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)中斷形式的瞬變的抗擾度。幸運(yùn)的是，聚酰亞胺絕緣使ADI公司的數(shù)字隔離器能夠承受高達(dá)6 kV的浪涌長(zhǎng)達(dá)10秒。由于隔離柵兩端的寄生電容較低，與其他技術(shù)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(guī)格為1–10 kV/μs，而磁性數(shù)字隔離器可以抑制超過(guò)35 kV/μs的共模瞬變。

乍一看，對(duì)磁干擾的擔(dān)憂似乎是合理的，因?yàn)閹в形⒆儔浩鞯母綦x器使用磁場(chǎng)在隔離柵上傳輸脈沖。有人可能會(huì)認(rèn)為足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)可能會(huì)干擾脈沖，導(dǎo)致錯(cuò)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(chǎng)或非常高的頻率才能誘發(fā)故障。圖2顯示了仍能保證AD344x隔離器輸出無(wú)故障時(shí)的最大允許電流和頻率。例如，在距離器件 1 MHz 和 5 mm 時(shí)，需要超過(guò) 500 安培的電流才能觸發(fā)故障輸出。理論上產(chǎn)生錯(cuò)誤輸出所需的幅度和頻率組合遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了絕大多數(shù)應(yīng)用中的體驗(yàn)。

圖2.ADuM344x最大允許電流和頻率，保證無(wú)差錯(cuò)工作。

高速運(yùn)行

當(dāng)隔離式測(cè)量系統(tǒng)使用高采樣速率時(shí)，使用光耦合器隔離串行總線可能成為一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。接收器光電二極管的寄生電容限制了光耦合器通過(guò)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)更快地為寄生電容充電，但這會(huì)增加功耗。此外，很少有光耦合器為每個(gè)封裝提供兩個(gè)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(guān)的時(shí)序規(guī)格。雖然假設(shè)同一封裝中的光耦合器之間匹配良好是合乎邏輯的，但沒(méi)有印刷規(guī)格意味著您必須做出工程假設(shè)。與依賴未印刷規(guī)格的情況一樣，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，在考慮單個(gè)光耦合器時(shí)，其工作性能遠(yuǎn)低于數(shù)據(jù)手冊(cè)所顯示的性能。

使用數(shù)字隔離器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，產(chǎn)品可作為4通道器件提供，保證速度高達(dá)150 Mbps。此外，所有數(shù)字隔離器制造商都在數(shù)據(jù)手冊(cè)的時(shí)序部分提供了有保證的通道-通道匹配規(guī)格。例如，ADI公司的ADuM344x隔離器在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)保證通道間傳播延遲失配小于2 ns。實(shí)際上，這意味著您可以以數(shù)據(jù)手冊(cè)中列出的速度使用數(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降低系統(tǒng)額定值。

集成

由于數(shù)字隔離器技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容，因此集成附加功能以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)容易。例如，傳統(tǒng)的熱電偶測(cè)量器件可能使用多個(gè)光耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)低速SPI接口，以及帶有驅(qū)動(dòng)器和穩(wěn)壓器的隔離變壓器，為隔離前端供電。通過(guò)使用集成隔離電源的數(shù)字隔離器（如ADuM5401），整個(gè)隔離系統(tǒng)成為具有四個(gè)數(shù)據(jù)通道和隔離電源的單個(gè)集成電路。與使用分立式隔離器和隔離電源相比，這提高了可靠性并節(jié)省了大量電路板空間。

許多儀器都包括一個(gè)隔離的RS-485端口，用于遠(yuǎn)程監(jiān)視或控制。幾年前，實(shí)現(xiàn)這樣的隔離端口不僅需要數(shù)據(jù)線的隔離器，還需要與RS-485差分信號(hào)兼容的收發(fā)器和電源。圖3顯示了ADM2682E等單個(gè)IC如何將所有功能集成到單個(gè)封裝中。

圖3.您可以使用單個(gè)ADM2682E實(shí)現(xiàn)全雙工隔離式RS-485接口。

總結(jié)

由于光耦合器涉及技術(shù)挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)隔離式測(cè)量設(shè)備曾經(jīng)是一項(xiàng)昂貴、具有挑戰(zhàn)性且有時(shí)令人沮喪的工作。在過(guò)去幾年中，數(shù)字隔離技術(shù)的進(jìn)步使任務(wù)變得更加簡(jiǎn)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(kāi)發(fā)計(jì)劃。此外，監(jiān)管機(jī)構(gòu)的認(rèn)證和承受高水平干擾的能力使其成為工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)典型的長(zhǎng)產(chǎn)品壽命的理想選擇。

審核編輯：郭婷