数字隔离器简化设计并确保系统可靠性

工业环境中使用的测量设备通常需要隔离，以确保用户和系统安全，并确保在存在高共模电压的情况下进行精确测量。数字隔离器为光耦合器等旧技术提供了一种可靠且易于使用的替代方案。利用数字隔离器，工程师可以优化隔离系统设计，以降低功耗并保证系统性能，而无需诉诸过多的设计裕量来弥补器件规格缺失或不完整的问题。

介绍

设计隔离的测量仪器具有挑战性，有时甚至令人沮丧。隔离式前端可保护用户免受测量系统上存在的潜在致命电压的影响，并允许工程师在存在高共模电压的情况下进行精确测量。图1显示了这种测量的典型示例。在高压燃料电池或电池组中，了解各个电池电压有助于确保系统安全运行并获得尽可能长的电池寿命。在确定单个电池的电压时，我们必须在高达几百伏的共模电压下测量它。当用热电偶测量载流导体的温度时，也会发生类似的情况。在本例中，系统必须测量毫伏信号分辨率，同时抑制高水平的共模60 Hz噪声，并保护操作员免受任何危险电压的影响。

图1.使用隔离式前端测量高压堆栈中单个电池的电压。

隔离放大器是这个问题的初步解决方案，但由于需要更高带宽和分辨率的测量，隔离放大器已经过时。目前，执行这些测量的最准确、最经济、最有效的技术是隔离整个测量前端，包括模数转换器（ADC），并实现与系统其余部分的隔离串行链路，如图1所示。该链路可以是本地总线（如 SPI），也可以是工业协议（如 RS-485），用于将测量数据长距离发送到控制器单元。

可靠性设计

直到大约十年前，光耦合器还是为数不多的用于隔离数字信号的实用解决方案之一。但是，询问任何必须与他们一起设计的工程师，您将很快了解到开发高效可靠的系统是多么具有挑战性，尤其是在试图将成本降至最低时。光耦合器使用LED产生穿过隔离栅的光，以打开和关闭光电晶体管。使用光耦合器进行设计时，必须保证LED将产生足够的光来打开接收光电晶体管，并且输出上升和下降时间足够快，以支持在所需频率下工作。最重要的光耦合器规格之一是电流传输比（CTR）。CTR是出现在光电晶体管上的集电极电流与通过LED的电流之比。

光耦合器CTR不仅具有非常宽的容差，而且还会随着时间和温度而降低。为了保证光耦合器在服务数年后继续工作，并且在高温下，工程师必须假设最差的CTR，这本身就具有挑战性，因为光耦合器数据手册仅列出了室温下的CTR规格。例如，典型光耦合器的规格表列出了25°C时50%–600%的保证CTR。 此外，大多数数据手册都包含一个典型图表，显示80°C时的CTR仅为20°C时CTR的50%左右。 实际上，没有数据手册包含85°C时的最小CTR，因此您必须对它进行假设。此外，一些研究对CTR随时间下降进行了建模，但这是数据手册上找不到的另一个规格，因此您必须决定增加多少额外的设计裕量，以便最终产品在其预期使用寿命内可靠运行。设计一个鲁棒的隔离器电路意味着您必须做出许多工程假设，需要以增加电流消耗和降低工作速度的形式进行权衡，以便在产品的整个生命周期内为可靠运行留出足够的余量。

数字隔离器使用非光学方式跨越隔离栅发送数据。例如，ADI公司的隔离器使用微变压器技术在隔离栅上发送脉冲，并且不会受到光耦合器相关的时间和温度下降效应的影响。这样就可以在器件的整个工作温度范围内发布保证的最小和最大功耗、传播延迟和脉冲失真规格。拥有完整的规格，无需在工作条件下对光耦合器进行广泛的特性测试，而是使用数据手册信息来计算最坏情况的系统性能。您可以简单地查看数字隔离器的保证传播延迟、偏斜和功耗，并使用这些数据来计算顶级系统时序规格，就像任何标准数字集成电路一样。其他非光学技术，如电容式、射频 （RF） 和巨磁阻 （GMR） 耦合也可用。

由于磁性数字隔离器在从一种状态切换到另一种状态时会消耗大部分功率，因此功耗与工作频率成比例。因此，空闲或以非常低的速度切换的通道消耗的功率非常少。一旦确定了应用的最大串行时钟速率，就可以设计一个电源来提供足够的电流来支持该速率。使用光耦合器进行设计时，必须确保电路始终在LED处于关断状态时空闲，以最大限度地降低系统功耗。

光耦合器技术已经问世30多年;一些工程师对改用新的隔离器技术持谨慎态度。大多数制造商将其产品提交给监管机构批准，并清楚地表明其隔离器已根据哪些标准获得批准。ADI公司的数字隔离器等器件使用聚酰亚胺作为绝缘体，这与许多光耦合器中使用的材料相同。在某些情况下，它们按照与光耦合器相同的安全标准进行测试，而在其他情况下（如VDE V 0884-10），已经为数字隔离器制定了特定的标准。例如，表1显示了ADuM140x系列隔离器的机构认证。

 

UL	加航	维德	TÜV
认可于 1577组件 表彰计划	在CSA组件下获得批准 录取通知书#5A	通过 DIN V 认证 VDE V 0884-10 （VDE V 0884- 10):2006-12	批准依据 IEC 61010-1：2001（第2版）， EN 61010-1：2001（第2版） UL 61010-1：2004 CSA C22.2.61010.1：2005
双/加固 绝缘，2500 Vrms 隔离电压	基本绝缘符合 CSA 60950-1-03 和 IEC 60950-1，800 V rms（1131 V 峰值） 最大工作电压增强 绝缘符合 CSA 60950-1-03 和 IEC 标准 60950-1，400 V rms（566 V 峰值） 最大工作电压	增强绝缘，560 V 峰	增强绝缘，400 V rms 最大工作电压

 

其他问题包括数字隔离器承受过压浪涌的能力，以及它们对共模电压和磁场中断形式的瞬变的抗扰度。幸运的是，聚酰亚胺绝缘使ADI公司的数字隔离器能够承受高达6 kV的浪涌长达10秒。由于隔离栅两端的寄生电容较低，与其他技术相比，磁隔离器还具有出色的共模瞬变抗扰度（CMTI）。例如，典型的高速光耦合器的CMTI规格为1–10 kV/μs，而磁性数字隔离器可以抑制超过35 kV/μs的共模瞬变。

乍一看，对磁干扰的担忧似乎是合理的，因为带有微变压器的隔离器使用磁场在隔离栅上传输脉冲。有人可能会认为足够强的磁场可能会干扰脉冲，导致错误的输出。然而，由于变压器及其空芯的半径非常小，因此需要非常大的磁场或非常高的频率才能诱发故障。图2显示了仍能保证AD344x隔离器输出无故障时的最大允许电流和频率。例如，在距离器件 1 MHz 和 5 mm 时，需要超过 500 安培的电流才能触发故障输出。理论上产生错误输出所需的幅度和频率组合远远超出了绝大多数应用中的体验。

图2.ADuM344x最大允许电流和频率，保证无差错工作。

高速运行

当隔离式测量系统使用高采样速率时，使用光耦合器隔离串行总线可能成为一项艰巨的任务。接收器光电二极管的寄生电容限制了光耦合器通过数字信号的速度。您可以通过增加来自LED的光量来更快地为寄生电容充电，但这会增加功耗。此外，很少有光耦合器为每个封装提供两个以上的通道，并且仅在相同的方向上提供，并且通常不包括与通道间匹配相关的时序规格。虽然假设同一封装中的光耦合器之间匹配良好是合乎逻辑的，但没有印刷规格意味着您必须做出工程假设。与依赖未印刷规格的情况一样，大多数谨慎的工程师会选择留出充足的设计裕量，在考虑单个光耦合器时，其工作性能远低于数据手册所显示的性能。

使用数字隔离器的另一个优点是，产品可作为4通道器件提供，保证速度高达150 Mbps。此外，所有数字隔离器制造商都在数据手册的时序部分提供了有保证的通道-通道匹配规格。例如，ADI公司的ADuM344x隔离器在整个工作温度范围内保证通道间传播延迟失配小于2 ns。实际上，这意味着您可以以数据手册中列出的速度使用数字隔离器，而无需针对较大或未知的器件间或通道间偏斜降低系统额定值。

集成

由于数字隔离器技术与标准CMOS工艺兼容，因此集成附加功能以简化系统设计相对容易。例如，传统的热电偶测量器件可能使用多个光耦合器来实现低速SPI接口，以及带有驱动器和稳压器的隔离变压器，为隔离前端供电。通过使用集成隔离电源的数字隔离器（如ADuM5401），整个隔离系统成为具有四个数据通道和隔离电源的单个集成电路。与使用分立式隔离器和隔离电源相比，这提高了可靠性并节省了大量电路板空间。

许多仪器都包括一个隔离的RS-485端口，用于远程监视或控制。几年前，实现这样的隔离端口不仅需要数据线的隔离器，还需要与RS-485差分信号兼容的收发器和电源。图3显示了ADM2682E等单个IC如何将所有功能集成到单个封装中。

图3.您可以使用单个ADM2682E实现全双工隔离式RS-485接口。

总结

由于光耦合器涉及技术挑战，设计隔离式测量设备曾经是一项昂贵、具有挑战性且有时令人沮丧的工作。在过去几年中，数字隔离技术的进步使任务变得更加简单。它们的低成本、更高的性能、易用性和集成性可帮助工程师满足其开发计划。此外，监管机构的认证和承受高水平干扰的能力使其成为工业测量系统典型的长产品寿命的理想选择。

审核编辑：郭婷