作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美編輯

電子系統(tǒng)的設計者需要將電源和信號隔離，以滿足性能要求，并滿足用戶和設備安全的法規(guī)要求。使用變壓器可輕松實現(xiàn) AC 電源路徑的隔離。盡管要求更多的電路，DC 電源軌的隔離最終也依賴于變壓器。然而，針對已數(shù)字化的模擬信號和數(shù)字串行數(shù)據(jù)流進行隔離會面臨不同的挑戰(zhàn)和復雜性。

在這種情況下，用于隔離的能量轉(zhuǎn)移技術必須在隔離屏障上保持信號完整性，以維持系統(tǒng)性能。雖然實現(xiàn)隔離的方法有很多，但設計人員必須在更高的數(shù)據(jù)速率和更具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中確保信號完整性。因此，他們越來越多地轉(zhuǎn)向能夠以 150 兆比特每秒 (Mbps) 的速度傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)字隔離器。

本文將簡單探討隔離原因，并強調(diào)基于傳感器的電路需求。然后，介紹使用 [Analog Devices] 最先進的數(shù)字隔離器進行隔離的各個方面，并展示如何應用這種隔離器。

隔離：原因和位置

傳感器電路需要隔離的原因有多種：

1. 隔離可消除共模電壓變化，最大限度地減少某些類型的電磁干擾 (EMI)。通過隔離能防止外部噪聲源干擾采集到的信號，從而確保測量結果更純凈、更準確。通過隔離，還可以測量具有高共模電壓的小信號。
2. 由于電路接地之間存在電位差，接地回路會引入電壓差，從而使測量信號失真。隔離可斷開接地回路。
3. 隔離功能可防止危險的尖峰電壓、瞬態(tài)電壓或浪涌電壓波及敏感的測量元件。這可以保護測量電路、用戶和任何連接設備。
4. 隔離功能支持不同電路功能之間的安全電平轉(zhuǎn)換。隔離屏障一側(cè)的電路可采用傳感器電壓，而另一側(cè)的電路可采用 3.3 V 或 5 V 邏輯電平信號。

例如，在高壓電池組中，通常需要了解單節(jié)電池的電壓，以確保系統(tǒng)安全運行并盡可能延長電池壽命。盡管在串聯(lián)的電池組中存在高達數(shù)百伏的共模電壓，但仍必須測量單節(jié)電池的電壓。

雖然可以使用模擬電路和隔離放大器克服這一問題，但這種方法無法滿足在保持系統(tǒng)精度、線性度和一致性的同時，獲得更高帶寬、更高分辨率的測量需求。

相反，完成這些測量的最準確、最經(jīng)濟和最高效的技術是隔離整個測量前端，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，然后使用隔離式串行鏈路將數(shù)字化數(shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)的其他部分（圖 1）。

圖 1：在測量高壓電池組中單節(jié)電池的電壓時，使用隔離前端能夠克服共模電壓挑戰(zhàn)。（圖片來源： Analog Devices）

這種方法既能隔離電池組的共模電壓，又能在發(fā)生故障時防止任何危險的高電壓遷移到數(shù)據(jù)鏈路側(cè)或用戶。

請注意，如需隔離信號，就必須提供隔離電源，因為非隔離電源軌會與信號隔離相抵觸和抵消。通過獨立的電源隔離電路或使用電池作為獨立的隔離電源，即可實現(xiàn)所需的電源隔離。

如何實現(xiàn)隔離

許多參數(shù)決定了隔離性能。其中包括隔離屏障失效前可承受的最大電壓。相關法規(guī)規(guī)定了所需的最高電壓，通常為數(shù)千伏，但具體取決于具體的應用。

有幾種不同的技術可用于實現(xiàn)數(shù)字信號的隔離。其中包括電容耦合、光耦合（LED 和光電晶體管）、"微"刻度射頻傳輸和磁耦合。

后者是一種可靠的技術，具有許多優(yōu)點，但歷來需要一個相對較大且昂貴的信號轉(zhuǎn)換器。Analog Devices 推出的 iCoupler 技術改變了這種情況。這種方法使用芯片級初級和次級線圈，并通過聚酰亞胺絕緣層形成的隔離屏障將兩者隔離（圖 2）。高頻載波通過隔離屏障向次級線圈傳輸數(shù)據(jù)。

圖 2：iCoupler 技術使用高頻載波，穿過厚聚酰亞胺絕緣層將數(shù)據(jù)從初級線圈傳輸?shù)酱渭壘€圈。(圖片來源：Analog Devices. ）

在運行過程中，初級變壓器通過初級線圈中的脈沖電流產(chǎn)生一個小型局部磁場，從而在次級線圈中產(chǎn)生感應電流。電流脈沖很短，約為 1 納秒（1 ns），因此平均電流很低，可以確保低功耗。此外，用于脈沖的開/關鍵控 (OOK) 技術和差分結構實現(xiàn)了極低的傳播延遲和高速能力。

iCoupler 使用的聚合物材料具有強大的隔離性能，因為這種材料幾乎適用于所有應用。對諸如醫(yī)療設備和重型工業(yè)設備等最具挑戰(zhàn)性的使用案例來說，這種性能最有用。

聚酰亞胺的應力也比二氧化硅 (SiO 2 ) 小（一種備選屏障材料），而且可以根據(jù)需要增加厚度。相反，SiO2 的厚度以及隔離能力是有限的；厚度大于 15 微米 (μm) 的應力可能會在加工過程中導致晶片出現(xiàn)裂紋，或在隔離器的使用期限內(nèi)出現(xiàn)分層。聚酰亞胺數(shù)字隔離器使用厚達 26 μm 的隔離層。

Analog Devices 提供各種基于變壓器的 iCoupler 數(shù)字隔離器。其中包括用于 CAN、RS-485 和 SPI 接口的 [ADUM340E0BRWZ -RL] 、 [ADUM341E0BRWZ -RL] 和 [ADUM342E1WBRWZ 3000 Vrms、150 Mbps 隔離器。]

這三種數(shù)字隔離器統(tǒng)稱為 ADuM34xE 器件，主要區(qū)別在于其通道方向性。ADuM340E 有四個正向通道，ADuM341E 有三個正向通道和一個反向通道，ADuM3421 有兩個正向通道和兩個反向通道（圖 3）。

圖 3：ADuM34xE 系列中的三款四通道數(shù)字隔離器規(guī)格相似，但通道方向不同。（圖片來源：Analog Devices）

這三款隔離器都有兩種故障安全模式可供選擇（圖 4）：如果輸入端斷開或不工作（低故障安全模式），則輸出狀態(tài)設為低電平；如果輸入端斷開或不工作（高故障安全模式），則輸出狀態(tài)設為高電平。這樣，在關鍵應用中使用時，隔離器就能恢復到已知狀態(tài)。

圖 4：所示為 ADuM34xE 器件單通道的運行框圖，說明了低故障安全（上）和高故障安全（下）選項。(圖片來源：模擬器件公司）

請注意，輸入端（圖 3 中的 VDD1 引腳）和輸出端（V DD2 ）電源之間沒有關系。它們可以在規(guī)定的工作范圍內(nèi)以任何電壓同時工作，并以任何順序排序。該功能使隔離器能夠執(zhí)行 2.5 V、3.3 V 和 5 V 邏輯等的電壓轉(zhuǎn)換。

ADuM34xE 性能特點的細微差別

ADuM34xE 隔離器的高隔離電壓、高速度、低功耗和低傳播延遲等特性可直接用于設計，而且對于設計人員來講，其架構還有更多細微的優(yōu)勢。例如，總功耗隨運行頻率變化，功耗要求與設備運行速度大致成正比。因此，空閑通道或者以極低速度切換的通道的耗電量極低。對比他隔離技術，功耗相對降低了一到兩個數(shù)量級。

此外，一旦設計人員確定了應用的最大串行時鐘速率，就可以選擇相關的隔離電源，以提供足夠的電流來支持這一速率，從而規(guī)定值無需超過隔離器的最大值

鑒于定時和傳播延遲在高速串行鏈路中的重要性，必須注意數(shù)字隔離器的性能不會隨時間和溫度的變化而降低或改變。在信號傳輸速率較低時，抖動問題不大，因為與周期波相比，抖動誤差較小，但在數(shù)據(jù)傳輸速率較高時，定時抖動在信號間隔中的占比會很大。選擇抖動最小的隔離器可以提高隔離電路的信噪比 (SNR) 和效率。

基于 iCoupler 架構的這些特性，器件規(guī)格書規(guī)定了在 -40°C 至 +125°C 整個工作溫度范圍內(nèi)可保證的最低和最高功耗、傳播延遲和脈沖失真規(guī)格。對于設計人員來說，使用這些全面的規(guī)格，就可以簡化與最壞情況下的系統(tǒng)性能有關的計算。

有了數(shù)字隔離器與傳播延遲（最大 10 ns）（圖 5）、偏移和通道間匹配相關的保證數(shù)值，就可以像使用其他數(shù)字集成電路一樣，對頂層系統(tǒng)的定時規(guī)格進行建模、評估。

圖 5：iCoupler 技術在整個工作溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)了低于 10 ns 的超低全特征化傳播延遲。（圖片來源：Analog Devices）

共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI) 是一個鮮為人知且容易被忽視的規(guī)格。電動汽車 (EV) 和混動汽車 (HEV) 的充電電路、太陽能發(fā)電系統(tǒng)和電機驅(qū)動器等高壓應用中的持續(xù)開關操作會產(chǎn)生如振鈴和噪聲等共模瞬態(tài)。ADuM34xE 器件的隔離技術采用背靠背中心抽頭變壓器架構，可為隔離屏障兩側(cè)的噪聲提供低阻抗接地路徑。這使它們能夠達到 100 千伏每微秒 (kV/μs) 的 CMTI 額定值（最小），大大提高了隔離信號的完整性。

熟悉磁學的設計人員可能會擔心，這些隔離器可能會受到磁干擾的影響，進而破壞穿過隔離屏障的傳輸脈沖，造成誤差。這種擔心是多余的，因為變壓器半徑很小，而且是空氣芯，這意味著需要非常大的磁場或非常高的頻率才能導致故障。數(shù)字隔離器不會受到距離設備僅 5 毫米 (mm) 的導線中 1 兆赫茲 (MHz) 時 500 安培 (A) 電流的影響。

評估數(shù)字隔離器

雖然這些隔離器的功能簡單明了，但在應用時需要注意電路板布局等細節(jié)，以確保其高壓隔離能力和高速運行性能不受影響。

為幫助設計人員使用和評估該器件，Analog Devices 提供 [EVAL-ADUM34XEEBZ] iCoupler 數(shù)字隔離器接口評估板（圖 6）。在這塊電路板上有每個隔離器的位置和布局，還有一個空位置。電路板上的每個器件（U1 至 U4）之間都有 V 形凹槽，方便用戶將電路板分成若干部分，并在試驗板或類似測試夾具上測驗特定器件。

圖 6：EVAL-ADuM34XEEBZ 評估板支持所有三個 ADuM34xE 器件，并提供一個開放位置供用戶選擇引腳兼容的器件。(圖片來源：Analog Devices）

EVAL-ADuM34XEEBZ 電路板遵循相關的印刷電路板（PC 板）設計規(guī)范，包括隔離屏障兩側(cè)各一個接地平面。使用該電路板評估 iCoupler 器件時只需一臺示波器、一個信號發(fā)生器和一個 2.25 V 至 5.5 V 電源。

結語

許多設計都需要隔離以保持信號完整性，確保用戶和設備安全，并滿足監(jiān)管要求。基于 Analog Devices iCoupler 磁耦合技術的數(shù)字隔離器提供了一種易于使用且可靠的高速解決方案。這類器件的核心規(guī)格，包括隨時間和溫度而發(fā)生的最小降額，確保了長期、卓越的性能。

審核編輯 黃宇