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來源：Digikey 作者：Bill Schweber 電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者需要將電源和信號(hào)隔離，以滿足性能要求，并滿足用戶和設(shè)備安全的法規(guī)要求。使用變壓器可輕松實(shí)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(duì)已數(shù)字化的模擬信號(hào)和數(shù)字串行數(shù)據(jù)流進(jìn)行隔離會(huì)面臨不同的挑戰(zhàn)和復(fù)雜性。 在這種情況下，用于隔離的能量轉(zhuǎn)移技術(shù)必須在隔離屏障上保持信號(hào)完整性，以維持系統(tǒng)性能。雖然實(shí)現(xiàn)隔離的方法有很多，但設(shè)計(jì)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(hào)完整性。因此，他們?cè)絹碓蕉嗟剞D(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(jiǎn)單探討隔離原因，并強(qiáng)調(diào)基于傳感器的電路需求。然后，介紹使用 Analog Devices 最先進(jìn)的數(shù)字隔離器進(jìn)行隔離的各個(gè)方面，并展示如何應(yīng)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： · 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(hào)，從而確保測(cè)量結(jié)果更純凈、更準(zhǔn)確。通過隔離，還可以測(cè)量具有高共模電壓的小信號(hào)。 · 由于電路接地之間存在電位差，接地回路會(huì)引入電壓差，從而使測(cè)量信號(hào)失真。隔離可斷開接地回路。 · 隔離功能可防止危險(xiǎn)的尖峰電壓、瞬態(tài)電壓或浪涌電壓波及敏感的測(cè)量元件。這可以保護(hù)測(cè)量電路、用戶和任何連接設(shè)備。 · 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(hào)。 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(yùn)行并盡可能延長(zhǎng)電池壽命。盡管在串聯(lián)的電池組中存在高達(dá)數(shù)百伏的共模電壓，但仍必須測(cè)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(shí)，獲得更高帶寬、更高分辨率的測(cè)量需求。 相反，完成這些測(cè)量的最準(zhǔn)確、最經(jīng)濟(jì)和最高效的技術(shù)是隔離整個(gè)測(cè)量前端，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，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(cè)量高壓電池組中單節(jié)電池的電壓時(shí)，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(shí)防止任何危險(xiǎn)的高電壓遷移到數(shù)據(jù)鏈路側(cè)或用戶。 請(qǐng)注意，如需隔離信號(hào)，就必須提供隔離電源，因?yàn)榉歉綦x電源軌會(huì)與信號(hào)隔離相抵觸和抵消。通過獨(dú)立的電源隔離電路或使用電池作為獨(dú)立的隔離電源，即可實(shí)現(xiàn)所需的電源隔離。 如何實(shí)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(guān)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(yīng)用。 有幾種不同的技術(shù)可用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)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(shù)，具有許多優(yōu)點(diǎn)，但歷來需要一個(gè)相對(duì)較大且昂貴的信號(hào)轉(zhuǎn)換器。Analog Devices 推出的 iCoupler 技術(shù)改變了這種情況。這種方法使用芯片級(jí)初級(jí)和次級(jí)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(jí)線圈傳輸數(shù)據(jù)。
圖 2：iCoupler 技術(shù)使用高頻載波，穿過厚聚酰亞胺絕緣層將數(shù)據(jù)從初級(jí)線圈傳輸?shù)酱渭?jí)線圈。(圖片來源：Analog Devices. ） 在運(yùn)行過程中，初級(jí)變壓器通過初級(jí)線圈中的脈沖電流產(chǎn)生一個(gè)小型局部磁場(chǎng)，從而在次級(jí)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)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(guān)鍵控 (OOK) 技術(shù)和差分結(jié)構(gòu)實(shí)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(qiáng)大的隔離性能，因?yàn)檫@種材料幾乎適用于所有應(yīng)用。對(duì)諸如醫(yī)療設(shè)備和重型工業(yè)設(shè)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(yīng)力也比二氧化硅 (SiO2) �。ㄒ环N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(yīng)力可能會(huì)在加工過程中導(dǎo)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(dá) 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(gè)正向通道，ADuM341E 有三個(gè)正向通道和一個(gè)反向通道，ADuM3421 有兩個(gè)正向通道和兩個(gè)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(shè)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(shè)為高電平。這樣，在關(guān)鍵應(yīng)用中使用時(shí)，隔離器就能恢復(fù)到已知狀態(tài)。
圖 4：所示為 ADuM34xE 器件單通道的運(yùn)行框圖，說明了低故障安全（上）和高故障安全（下）選項(xiàng)。(圖片來源：模擬器件公司） 請(qǐng)注意，輸入端（圖 3 中的 VDD1 引腳）和輸出端（VDD2）電源之間沒有關(guān)系。它們可以在規(guī)定的工作范圍內(nèi)以任何電壓同時(shí)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(diǎn)的細(xì)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(shè)計(jì)，而且對(duì)于設(shè)計(jì)人員來講，其架構(gòu)還有更多細(xì)微的優(yōu)勢(shì)。例如，總功耗隨運(yùn)行頻率變化，功耗要求與設(shè)備運(yùn)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(duì)比他隔離技術(shù)，功耗相對(duì)降低了一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。 此外，一旦設(shè)計(jì)人員確定了應(yīng)用的最大串行時(shí)鐘速率，就可以選擇相關(guān)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(shí)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(huì)隨時(shí)間和溫度的變化而降低或改變。在信號(hào)傳輸速率較低時(shí)，抖動(dòng)問題不大，因?yàn)榕c周期波相比，抖動(dòng)誤差較小，但在數(shù)據(jù)傳輸速率較高時(shí)，定時(shí)抖動(dòng)在信號(hào)間隔中的占比會(huì)很大。選擇抖動(dòng)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(gòu)的這些特性，器件規(guī)格書規(guī)定了在 -40°C 至 +125°C 整個(gè)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(duì)于設(shè)計(jì)人員來說，使用這些全面的規(guī)格，就可以簡(jiǎn)化與最壞情況下的系統(tǒng)性能有關(guān)的計(jì)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(guān)的保證數(shù)值，就可以像使用其他數(shù)字集成電路一樣，對(duì)頂層系統(tǒng)的定時(shí)規(guī)格進(jìn)行建模、評(píng)估。
圖 5：iCoupler 技術(shù)在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)實(shí)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(gè)鮮為人知且容易被忽視的規(guī)格。電動(dòng)汽車 (EV) 和混動(dòng)汽車 (HEV) 的充電電路、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等高壓應(yīng)用中的持續(xù)開關(guān)操作會(huì)產(chǎn)生如振鈴和噪聲等共模瞬態(tài)。ADuM34xE 器件的隔離技術(shù)采用背靠背中心抽頭變壓器架構(gòu)，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(dá)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(hào)的完整性。 熟悉磁學(xué)的設(shè)計(jì)人員可能會(huì)擔(dān)心，這些隔離器可能會(huì)受到磁干擾的影響，進(jìn)而破壞穿過隔離屏障的傳輸脈沖，造成誤差。這種擔(dān)心是多余的，因?yàn)樽儔浩靼霃胶苄�，而且是空氣芯，這意味著需要非常大的磁場(chǎng)或非常高的頻率才能導(dǎo)致故障。數(shù)字隔離器不會(huì)受到距離設(shè)備僅 5 毫米 (mm) 的導(dǎo)線中 1 兆赫茲 (MHz) 時(shí) 500 安培 (A) 電流的影響。 評(píng)估數(shù)字隔離器 雖然這些隔離器的功能簡(jiǎn)單明了，但在應(yīng)用時(shí)需要注意電路板布局等細(xì)節(jié)，以確保其高壓隔離能力和高速運(yùn)行性能不受影響。 為幫助設(shè)計(jì)人員使用和評(píng)估該器件，Analog Devices 提供 EVAL-ADUM34XEEBZ iCoupler 數(shù)字隔離器接口評(píng)估板（圖 6）。在這塊電路板上有每個(gè)隔離器的位置和布局，還有一個(gè)空位置。電路板上的每個(gè)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(yàn)板或類似測(cè)試夾具上測(cè)驗(yàn)特定器件。
圖 6：EVAL-ADuM34XEEBZ 評(píng)估板支持所有三個(gè) ADuM34xE 器件，并提供一個(gè)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(guān)的印刷電路板（PC 板）設(shè)計(jì)規(guī)范，包括隔離屏障兩側(cè)各一個(gè)接地平面。使用該電路板評(píng)估 iCoupler 器件時(shí)只需一臺(tái)示波器、一個(gè)信號(hào)發(fā)生器和一個(gè) 2.25 V 至 5.5 V 電源。 結(jié)語(yǔ) 許多設(shè)計(jì)都需要隔離以保持信號(hào)完整性，確保用戶和設(shè)備安全，并滿足監(jiān)管要求�；� Analog Devices iCoupler 磁耦合技術(shù)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(shí)間和溫度而發(fā)生的最小降額，確保了長(zhǎng)期、卓越的性能。 |
