想法簡介

工業環境中使用的測量設備通常需要隔離以保證用戶和系統安全，并確保在高共模電壓下進行精確測量。數字隔離器為光耦合器等舊技術提供了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，從而降低功耗并保證系統性能，而無需過多的設計余量來彌補設備規格缺失或不完整。

簡介

設計隔離的測量儀器具有挑戰性，有時令人沮喪。隔離的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，并允許工程師在高共模電壓下進行精確測量。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，了解單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會發生類似的情況。在此示例中，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。

隔離放大器是這個問題的初始解決方案，但已經過時，需要更高帶寬和更高分辨率的測量。今天，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SPI等本地總線，也可以是RS-485等工業協議，可以將測量數據長距離發送到控制器單元。

設計可靠性< / h3>

直到大約十年前，光耦合器是為數不多的隔離數字信號的實用解決方案之一。但是，要求任何必須使用它們進行設計的工程師，您將很快了解開發高效可靠系統的難度，特別是在努力將成本降至最低時。光耦合器使用LED在隔離柵上產生光，以打開和關閉光電晶體管。在使用光耦合器進行設計時，您必須保證LED將產生足夠的光以打開接收光電晶體管，并且輸出上升和下降時間將足夠快以支持在所需頻率下的操作。最重要的光耦合器規格之一是當前傳輸率（CTR）。 CTR是光電晶體管上出現的集電極電流與通過LED的電流之比。

光電耦合器CTR不僅具有非常寬的容差，而且還隨著時間和溫度而降低。為了保證光耦合器在使用數年后能夠繼續工作，并且在高溫下，工程師必須承擔最差的可能性，這本身就具有挑戰性，因為光耦合器數據表僅列出了室溫下的CTR規格。例如，典型的光耦合器規格表列出了在25°C時保證的50％-600％的CTR。此外，大多數數據表都包含一個典型的圖表，顯示80°C時的CTR僅為20°C時CTR的50％左右。實際上，沒有數據表包含85°C時的最低點擊率，因此您必須假設它將是什么。此外，還有一些研究表明CTR隨時間退化，但這是您在數據表中找不到的另一個規范，因此您必須決定添加多少額外的設計余量，以便最終產品能夠可靠地運行預期壽命。設計一個強大的隔離器電路意味著您必須做出許多工程假設，需要以增加的電流消耗和更慢的工作速度進行權衡，以便在產品的整個使用壽命期間留出足夠的可靠運行余量。

Digital隔離器使用非光學方式在隔離柵上發送數據。例如，模擬器件的隔離器使用微變壓器技術在隔離柵上發送脈沖，并且不會受到與光耦合器相關的時間和溫度降低影響。這使得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范。完整的規格無需在您的工作條件下對光耦合器進行廣泛的特性測試，有利于使用數據表信息來計算最差情況下的系統性能。您可以簡單地看一下數字隔離器的保證傳播延遲，偏斜和功率消耗，并使用數據計算您的頂級系統時序規范，如任何標準數字集成電路。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消耗大部分功率，因此功耗隨工作頻率而變化。因此，空閑或以非常低的速度切換的通道消耗非常少的功率。一旦確定了應用程序的最大串行時鐘速率，您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，必須確保電路在LED處于關閉狀態時始終處于空閑狀態，以最大限度地降低系統功耗。

光耦合器技術已有30多年的歷史;一些工程師擔心切換到新的隔離器技術。大多數制造商將其產品提交給監管機構批準，并清楚地顯示其隔離器已經批準的標準。 ADI公司的數字隔離器等部件使用聚酰亞胺作為絕緣體，這與許多光耦合器使用的材料相同。在某些情況下，它們的測試安全標準與光耦合器相同，而在其他情況下（如VDE V 0884-10），已經為數字隔離器開發了特定的標準。例如，表1顯示了ADuM140x系列隔離器的機構認證。

表1. ADI公司ADuM140x系列的監管機構認證數字隔離器。

其他問題涉及數字隔離器承受過壓浪涌的能力，它們對共模電壓和磁場中斷的瞬態抗擾性。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，最長可達10秒。由于寄生電容較低隔離柵，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，典型的高速光電耦合器具有1-10 kV /μs的CMTI規格，而磁數字隔離器可以拒絕共模超過35 kV /μs的瞬態。

對于磁干擾的關注乍一看似乎是合理的，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。可能會認為足夠強的磁場會干擾脈沖，從而導致錯誤的輸出。然而，由于變壓器及其空芯的半徑非常小，因此需要極大的磁場或非常高的頻率來引發故障。圖2顯示了最大允許電流和頻率，仍可確保AD344x隔離器的輸出保持無故障。例如，在距設備5毫米的1 MHz處需要超過500安培的電流才可能觸發故障輸出。理論上產生錯誤輸出所需的幅度和頻率組合遠遠超出絕大多數應用所能達到的范圍。

高速運行

當隔離測量系統使用高采樣率時，使用光耦合器隔離串行總線可能會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傳遞數字信號的速度。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，很少有光耦合器每個封裝提供兩個以上的通道，只有相同的方向，并且通常不包括與通道到通道匹配相關的時序規范。雖然假設同一封裝中光耦合器之間的良好匹配是合乎邏輯的，但沒有印刷規格意味著您必須做出工程假設。與依賴未打印規格的情況一樣，大多數謹慎的工程師會選擇留下足夠的設計余量，其性能遠低于考慮單個光耦合器時數據表所表明的性能。

使用的另一個優點數字隔離器產品可作為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表的時序部分提供有保證的通道通道匹配規范。例如，ADI公司的ADuM344x隔離器在整個工作溫度范圍內具有小于2 ns的保證通道間傳播延遲失配。實際上，這意味著您可以使用數據表中列出的速度使用數字隔離器，而無需為大型或未知的部件到部件或通道到通道的偏斜降低系統的速率。

集成

由于數字隔離器技術與標準CMOS工藝兼容，因此集成其他功能以簡化系統設計相對容易。例如，傳統的熱電偶測量設備可能已經使用多個光耦合器來實現低速SPI接口，以及帶有驅動器和調節器的隔離變壓器來為隔離的前端供電。通過使用帶有集成隔離電源的數字隔離器，例如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。與使用分立隔離器和隔離電源相比，這樣可以提高可靠性并節省大量電路板空間，成本更低。

許多儀器包括用于遠程監控或控制的隔離RS-485端口。直到幾年前，實現這樣的隔離端口不僅需要數據線的隔離器，還需要兼容RS-485差分信號和電源的收發器。圖3顯示了ADM2682E等單個IC如何將所有功能集成到一個封裝中。

摘要

由于光耦合器所涉及的技術挑戰，設計隔離的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其變得更加簡單。它們的低成本，高性能，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。