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在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中如何選擇隔離器

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關(guān)鍵詞: 隔離器,數(shù)字隔離器,iCoupler數(shù)字隔離器

      經(jīng)常網(wǎng)友提出這樣的問題,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,很困惑的一個(gè)問題是,不知如何去選擇一個(gè)合理的、適用的隔離器。前兩天,筆者采訪了ADI公司數(shù)字隔離器產(chǎn)品高級(jí)應(yīng)用工程師周曉奇,他就有關(guān)隔離器在電路中的作用、工程師在數(shù)字隔離器選型時(shí)應(yīng)該注意哪些步驟等問題,給電子工程師們一個(gè)很好的解答。

      為什么要用隔離器

      隔離器主要是用在隔離高壓(危險(xiǎn)電路)系統(tǒng)和低壓(安全電路)系統(tǒng)之間的電氣連接,以保護(hù)用戶以及電路系統(tǒng)安全,以及隔離敏感電路(比如高精度檢測(cè)電路)和噪聲源(例如大功率開關(guān)電源)之間的連接,以減小噪聲干擾。

      周曉奇說(shuō),隔離器的主要結(jié)構(gòu)大致有四種: 一是傳統(tǒng)光電耦合; 二是集成式變壓器(磁耦合);三是集成式電容耦合; 四是分立式變壓器耦合。最常用的是光耦合器,光耦合器一般由三部分組成:光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管(LED),使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光,被光檢測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流,再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。它的主要優(yōu)點(diǎn)是單向傳輸信號(hào),輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離,抗干擾能力強(qiáng),使用壽命長(zhǎng),傳輸效率高。它廣泛用于電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離、開關(guān)電路、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。

      隨著近幾年數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣炔粩嗵嵘?,傳統(tǒng)的光耦合器也暴露出一些缺點(diǎn),例如,整個(gè)電路體積大,集成度不高,而且光電耦合器件本身具有易損耗、速度較慢(一般的數(shù)據(jù)速率低于1Mbps)、耗電量大等缺點(diǎn),特別是在溫度和老化變化過程中的性能極不穩(wěn)定,為其應(yīng)用帶來(lái)局限,特別是在工業(yè)應(yīng)用中這些問題就比較突出。為了克服光電隔離技術(shù)的諸多缺點(diǎn),許多半導(dǎo)體公司開始研發(fā)不發(fā)光的隔離器解決方案。周曉奇告訴記者,ADI公司是最早一家推出新型數(shù)字隔離器解決方案的公司,并于2001年率先推出基于其專有iCoupler磁耦隔離技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離產(chǎn)品。

      新型數(shù)字隔離器

      周曉奇介紹說(shuō),iCoupler 技術(shù)是基于芯片尺寸的變壓器,每個(gè)iCoupler通道都由兩部分組成:CMOS接口電路和芯片級(jí)變壓器。而iCoupler隔離變壓器的核心正是這個(gè)能夠穿越隔離阻障并發(fā)射與接收信號(hào)的平面變壓器,它們不僅能夠提供隔離,而且消除了光耦合器中光電轉(zhuǎn)換的缺點(diǎn),包括功耗過大、較大的時(shí)序誤差和數(shù)據(jù)速率受限等。事實(shí)上,由于無(wú)需驅(qū)動(dòng)LED 的外部電路,iCoupler數(shù)字隔離器功耗僅為光電耦合器的1/10~1/50。

    在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中如何選擇隔離器

     

      iCoupler隔離變壓器可實(shí)現(xiàn)數(shù)千伏(5000V) 的隔離,其高耐壓的關(guān)鍵在于發(fā)送和接收變壓器的頂層和底層線圈之間,采用厚達(dá)20 μm 的聚酰亞胺材料作為隔離層,在4 mm×4 mm芯片上集成了4個(gè)變壓器(圖1)。周曉奇說(shuō),這種新型數(shù)字隔離器的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在:一,傳輸速度更快,遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光耦,高達(dá)150 Mbps。二,靜態(tài)/動(dòng)態(tài)電流更小。三,壽命更長(zhǎng),在耐高壓和耐擊穿的使用范圍內(nèi)壽命甚至可達(dá)50年。四,可以集成標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下的其他功能。五是可以在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)隔離電源,并具有更小的體積和厚度。

      iCoupler隔離器的工作原理是,當(dāng)數(shù)字隔離器的輸入端接收到信號(hào)的上升沿或者下降沿時(shí),會(huì)將這些信號(hào)編碼成雙脈沖或者單脈沖,并通過集成變壓器傳遞到另一側(cè)。同時(shí)通過解碼器將這些脈沖信號(hào)還原成和輸入信號(hào)相同的波形。與此同時(shí),iCoupler數(shù)字隔離器還集成了看門狗電路,當(dāng)信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間不發(fā)生變化時(shí),輸入側(cè)的更新電路也會(huì)定時(shí)發(fā)出相應(yīng)的脈沖信號(hào)到輸出端,如果輸出端的看門狗電路長(zhǎng)時(shí)間沒有收到任何信號(hào),會(huì)認(rèn)為輸入端進(jìn)入異常狀態(tài),此時(shí),輸出端的輸出信號(hào)會(huì)回到預(yù)先設(shè)定的默認(rèn)值(圖2)。

    在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中如何選擇隔離器

     

      周曉奇表示,從2001年,ADI推出第一款iCoupler隔離器產(chǎn)品,現(xiàn)已有10大系列、100多個(gè)種類,是目前業(yè)界種類最齊全的隔離器產(chǎn)品,包括標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器、采用iso Power的數(shù)字隔離器、集成PWM控制器和變壓器驅(qū)動(dòng)器的數(shù)字隔離器、USB 2.0兼容型隔離器、隔離式門驅(qū)動(dòng)器、隔離式I2C數(shù)字隔離器、隔離式RS-485收發(fā)器、隔離式RS-232器件和隔離式Σ-Δ型ADC等。可以說(shuō),幾乎任何應(yīng)用都可以找到一款合適的iCoupler產(chǎn)品來(lái)滿足您的設(shè)計(jì)需求。

      應(yīng)用案例

      采訪中,周曉奇還特別列舉了兩個(gè)iCoupler數(shù)字隔離器應(yīng)用的成功案例。

      一是,2012年,ADI為西門子航空航天業(yè)務(wù)集團(tuán)的PowerSCOE系統(tǒng)提供了其高度集成的iCoupler數(shù)字隔離解決方案。作為一個(gè)先進(jìn)的衛(wèi)星電源保護(hù)系統(tǒng),當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)異常時(shí),它能在幾微秒內(nèi)關(guān)閉衛(wèi)星中的數(shù)千瓦電源。西門子航空航天業(yè)務(wù)集團(tuán)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)還考慮到其它技術(shù),如智能電網(wǎng)電力監(jiān)控等,但由于每個(gè)通道都包含輔助模擬輸入及數(shù)字和模擬輸出,因此最大的挑戰(zhàn)是要確保100個(gè)通道彼此隔離。PCB上有100多路模擬和數(shù)字I/O。面對(duì)如此高的PC B密度,傳統(tǒng)的光耦合器和DC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案已無(wú)能為力。最終ADI高度集成的iCoupler數(shù)字隔離器卓越的性能表現(xiàn)獲得了西門子的信賴,也再次驗(yàn)證了iCoupler技術(shù)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

      二是,客戶利用ADI的iCoupler和isoPOWER技術(shù)帶有集成隔離電源的數(shù)字隔離器,設(shè)計(jì)了非常小型化USB接口的工業(yè)級(jí)別的傳感器系列。這也得益于ADI的iCoupler系列產(chǎn)品,該系列傳感器的外觀非常緊湊(使用分立方案無(wú)法做到如此小的體積),并且功耗非常低( 可以使用USB直接供電而不需要外部電源)。這個(gè)設(shè)計(jì)在使設(shè)備極小的同時(shí),保證了足夠的隔離強(qiáng)度,以保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)工作人員的安全。

      數(shù)字隔離器選型步驟

      如何在設(shè)計(jì)中選擇合理和適用的數(shù)字隔離器,周曉奇給電子工程師們提出了幾點(diǎn)建議:

      一.要了解自己的應(yīng)用中的隔離強(qiáng)度需求:

      A. 實(shí)際應(yīng)用中的工作電壓為多少?什么樣的電網(wǎng)條件?(220V民用電網(wǎng)/工業(yè)用電網(wǎng))

      B. 實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境是怎樣的?(海拔高度/濕度條件/溫度條件)

      C. 在該應(yīng)用中采取的隔離保護(hù)級(jí)別是怎樣的?保護(hù)對(duì)象是怎樣的類型?(功能性隔離/基本安全隔離/增強(qiáng)型安全隔離)

      D. 該應(yīng)用應(yīng)該符合哪個(gè)具體國(guó)際安全規(guī)范?

      二.了解自己對(duì)隔離器工作速度和接口的要求:

      A.在該應(yīng)用中的最高速率是多少?

      B.一個(gè)封裝中需要多少個(gè)通道?

      C. 在該應(yīng)用中的時(shí)序要求,例如信號(hào)延遲的要求。

      D. 是否需要集成其他功能(I2C/USB/RS-485/集成隔離電源)。

      三.在選擇好數(shù)字隔離器后,在PCB布板時(shí)仍然要謹(jǐn)慎考慮耐高壓的安規(guī)需求。

      隔離器未來(lái)的技術(shù)挑戰(zhàn)

      隔離器未來(lái)的技術(shù)發(fā)展還將解決哪些技術(shù)上的關(guān)鍵問題,周曉奇認(rèn)為,主要需解決以下幾個(gè)方面的問題:1.更高的隔離電壓需求;2.更高的傳輸速度;3.更多樣化的接口和集成功能;4.壽命更長(zhǎng)和更小的體積、更先進(jìn)的封裝技術(shù)。

      四.價(jià)格

    (審核編輯: 智匯李)

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