教你成為出色的模擬工程師;數字隔離與模擬隔離

工業(yè)電路設計的工程師都要用隔離技術(shù)來(lái)解決安全問(wèn)題、法規監管，以及接地層問(wèn)題。如果您的電路中做了隔離，就可以在兩個(gè)點(diǎn)之間交換信息和功率，而不會(huì )有實(shí)際的電流流動(dòng)。隔離有兩大好處。首先，它能防止人員和設備遭受到有潛在危險的浪涌電流和電壓。其次，它可以防止意外的接地回路，從數據鏈路和其它互連對信號造成干擾。電子發(fā)燒友網(wǎng)根據幾種常見(jiàn)的隔離技術(shù)做了詳細和說(shuō)明。

數字隔離技術(shù)介紹

多年來(lái)，工業(yè)、醫療和其他隔離系統的設計人員實(shí)現安全隔離的手段有限，唯一合理的選擇是光耦合器。如今，數字隔離器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方面均有優(yōu)勢。了解數字隔離器三個(gè)關(guān)鍵要素的特點(diǎn)及其相互關(guān)系，對于正確選擇數字隔離器十分重要。這三個(gè)要素是：絕緣材料、結構和數據傳輸方法。

設計人員之所以引入隔離，是為了滿(mǎn)足安全法規或者降低接地環(huán)路的噪聲等。電流隔離確保數據傳輸不是通過(guò)電氣連接或泄漏路徑，從而避免安全風(fēng)險。然而，隔離會(huì )帶來(lái)延遲、功耗、成本和尺寸等方面的限制。數字隔離器的目標是在盡可能減小不利影響的同時(shí)滿(mǎn)足安全要求。

傳統隔離器——光耦合器則會(huì )帶來(lái)非常大的不利影響，功耗極高，而且數據速率低于1 Mbps。雖然存在更高效率和更高速度的光耦合器，但其成本也更高。

數字隔離器問(wèn)世于10多年前，目的是降低光耦合器相關(guān)的不利影響。數字隔離器采用基于CMOS的電路，能夠顯著(zhù)節省成本和功耗，同時(shí)大大提高數據速率。數字隔離器由上述要素界定。絕緣材料決定其固有的隔離能力，所選材料必須符合安全標準。結構和數據傳輸方法的選擇應以克服上述不利影響為目的。所有三個(gè)要素必須互相配合以平衡設計目標，但有一個(gè)目標必須不折不扣地實(shí)現，那就是符合安全法規。

絕緣材料

數字隔離器采用晶圓CMOS工藝制造，僅限于常用的晶圓材料。非標準材料會(huì )使生產(chǎn)復雜化，導致可制造性變差且成本提高。常用的絕緣材料包括聚合物(如聚酰亞胺PI，它可以旋涂成薄膜)和二氧化硅(SiO2)。二者均具有眾所周知的絕緣特性，并且已經(jīng)在標準半導體工藝中使用多年。聚合物是許多光耦合器的基礎，作為高壓絕緣體具有悠久的歷史。

安全標準通常規定1分鐘耐壓額定值(典型值2.5 kV rms至5 kV rms)和工作電壓(典型值125 V rms至400 V rms)。某些標準也會(huì )規定更短的持續時(shí)間、更高的電壓(如10 kV峰值并持續50 μs)作為增強絕緣認證的一部分要求?；诰酆衔?聚酰亞胺的隔離器可提高最佳的隔離特性，如表1所示。

基于聚酰亞胺的數字隔離器與光耦合器相似，在典型工作電壓時(shí)壽命更長(cháng)?；赟iO2的隔離器對浪涌的防護能力相對較弱，不能用于醫療和其他應用。

各種薄膜的固有應力也不相同。聚酰亞胺薄膜的應力低于SiO2薄膜，可以根據需要增加厚度。SiO2薄膜的厚度有限，因而隔離能力也會(huì )受限;超過(guò)15 μm時(shí)，應力可能會(huì )導致晶圓在加工過(guò)程中開(kāi)裂，或者在使用期間分層?；诰埘啺返臄底指綦x器可以使用厚達26 μm的隔離層。

隔離器結構

數字隔離器使用變壓器或電容將數據以磁性方式或容性方式耦合到隔離柵的另一端，光耦合器則是使用LED光。

變壓采用差分連接，提供高達100 kV/μs的出色共模瞬變抗擾度(光耦合器通常約為15 kV/μs)。磁性耦合對變壓器線(xiàn)圈間距離的依賴(lài)性也弱于容性耦合對板間距離的依賴(lài)性，因此，變壓變壓器線(xiàn)圈之間的絕緣層可以更厚，從而獲得更高的隔離能力。結合聚酰亞胺薄膜的低應力特性，使用聚酰亞胺的變壓器比使用SiO2的電容更容易實(shí)現高級隔離性能。

電容為單端連接，更容易受共模瞬變影響。雖然可以用差分電容對來(lái)彌補，但這會(huì )增大尺寸并提高成本。

電容的優(yōu)勢之一是它使用低電流來(lái)產(chǎn)生耦合電場(chǎng)。當數據速率較高時(shí)(25 Mbps以上)，這一優(yōu)勢就相當明顯。

數據傳輸方法

光耦合器使用LED發(fā)出的光將數據傳輸到隔離柵的另一端：LED點(diǎn)亮時(shí)表示邏輯高電平，熄滅時(shí)表示邏輯低電平。當LED點(diǎn)亮時(shí)，光耦合器需要消耗電能;對于關(guān)注功耗的應用，光耦合器不是一個(gè)好的選擇。多數光耦合器將輸入端和/或輸出端的信號調理留給設計人員實(shí)現，而這并不一定是非常簡(jiǎn)單的工作。

數字隔離器使用更先進(jìn)的電路來(lái)編碼和解碼數據，支持更快的數據傳輸速度，能夠處理USB和I2C等復雜的雙向接口。

一種方法是將上升沿和下降沿編碼為雙脈沖或單脈沖，以驅動(dòng)變壓器(圖2)。這些脈沖在副邊解碼為上升沿或下降沿。這種方法的功耗比光耦合器低10倍到100倍，因為不像光耦合器，電源無(wú)需連續提供給器件。器件中可以包括刷新電路，以便定期更新直流電平。

另一種方法是使用RF調制信號，其使用方式與光耦合器使用光的方式非常相似，邏輯高電平信號將引起連續RF傳輸。這種方法的功耗高于脈沖方法，因為邏輯高電平信號需要持續消耗電能。

也可以采用差分技術(shù)來(lái)提供共模抑制，不過(guò)，這些技術(shù)最好配合變壓器等差分元件使用。

數字隔離器的浪涌測試

許多應用要求隔離危險電壓，以符合國際安全標準的要求。為了確保設備和操作人員的安全，這些標準往往要求隔離元件(如數字隔離器或光耦合器)能承受10 kV(峰值)以上的高壓浪涌。因此，測試隔離器浪涌性能是開(kāi)發(fā)安全、可靠器件的必要環(huán)節。

國際電工委員會(huì )(IEC)和VDE (Verband der Elektrotechnik)兩個(gè)組織出版的標準就隔離技術(shù)在醫療、工業(yè)、消費以及汽車(chē)等系統中的系統級和元件級應用進(jìn)行了規定。為了確保在出現高壓浪涌時(shí)人員和設備的安全，這些標準根據具體應用所需要的隔離等級規定了不同的浪涌額定值。

共有三類(lèi)常見(jiàn)的隔離等級：功能隔離、基本隔離和增強隔離。功能隔離僅有少量安全要求，因為它一般只用于要求隔離接地基準電壓的場(chǎng)合，以保證電路能正常工作?？梢?jiàn)，安全性和浪涌性能并不是功能隔離的主要考慮因素。

然而，安全性卻是基本隔離和增強隔離的主要考慮因素，因此，浪涌電平是確定隔離質(zhì)量的關(guān)鍵?；靖綦x可以保護終端設備用戶(hù)，使其免受電擊，增強隔離是一種單獨的隔離系統，其提供的保護能力相當于兩個(gè)冗余的單個(gè)或基本隔離系統。醫療和工業(yè)應用一般要求增強隔離，以保護病人和終端用戶(hù)，使其免受致命性電擊的影響。VDE針對數字隔離器的增強隔離標準是VDE 0884-10，規定最小浪涌電壓(VIOSM)額定值為10 kV，同時(shí)對工作電壓(VIORM)和耐受電壓(VISO)作出了規定。

數字隔離器的浪涌電壓額定值規定的是在經(jīng)受連續短暫高壓脈沖之后的抗沖擊能力。圖1所示為符合IEC 61000-4-5的浪涌波形的時(shí)序特性。

測試時(shí)，把設備放在一個(gè)測試板上，使隔離柵兩端的所有引腳短路(見(jiàn)圖2)。將一個(gè)高壓脈沖發(fā)生器通過(guò)一個(gè)1000Ω/1000 pF網(wǎng)絡(luò )連接到隔離柵的一端。發(fā)生器回路連接到隔離柵另一端。將一個(gè)100 kΩ、2.5 W的電阻跨接于隔離柵上，以便施加各個(gè)脈沖之后使電路放電。用一個(gè)帶1000:1高壓探頭的示波器監控脈沖。將放電槍設置為測試計劃規定的最低電壓，示波器設為單次觸發(fā)。在該電壓電平下施加10個(gè)脈沖，并用示波器對各個(gè)脈沖進(jìn)行監控。通過(guò)驟降脈沖幅度(在不到50 μs的時(shí)間內下降到50%)可發(fā)現隔離柵中的缺口。如果部件可以承受10個(gè)脈沖，則提高放電槍電壓，再施加10個(gè)脈沖。持續進(jìn)行，直到隔離柵發(fā)生故障為止，或者直到達到最大測試電壓為止。

能否通過(guò)該測試主要取決于隔離厚度(亦稱(chēng)為隔離距離，縮寫(xiě)為DTI)以及隔離材料的質(zhì)量。應用的電場(chǎng)往往在絕緣體內部的缺陷點(diǎn)聚集，因此，較低的缺陷密度一般會(huì )帶來(lái)較高的擊穿額定值。較厚的材料對擊穿的抗擊能力更強，因為場(chǎng)強與絕緣體任一端的導體之間的距離成反比。

以上我們解釋了數字隔離器的隔離要素及數字隔離器的浪涌測試，下面我們將為大家帶來(lái)模擬隔離的技術(shù)及應用。

模擬信號隔離

在很多系統中，模擬信號必須隔離。模擬信號所考慮的電路參量完全不同于數字信號。

模擬信號通常先要考慮：精度或線(xiàn)性度、頻率響應、噪聲等?！　∪缓笫菍﹄娫吹囊?，電源要求高隔離、高精度、低噪聲，特別是對輸入級。也應該關(guān)注隔離放大器的基本精度或線(xiàn)性度不能依靠相應的應用電路來(lái)改善，但這些電路可降低噪聲和降低輸入級電源要求。

對于電源噪聲的干擾，可以采用調制載波使模擬信號跨越這個(gè)屏障。如ISO4-20的兩線(xiàn)無(wú)源信號隔離放大器使模擬隔離簡(jiǎn)化。輸入信號被占空度調制并以數字方式發(fā)送跨過(guò)屏障。輸出部分接收被調制的信號，把它變換回模擬信號并去掉調制/解調過(guò)程中固有的紋波成分。

對信號隔離的另一問(wèn)題是隔離放大器輸入級所需的功耗，而隔離放大器的輸入阻抗及自身的等效電阻是問(wèn)題的關(guān)鍵所在。而輸出級通常以機殼或地為基準，輸入級通常浮動(dòng)在另一個(gè)電位上。因此，輸入級的電源也必須隔離。通常用一個(gè)單電源(5V/12V/15V/24V)，而不是理想中使用的正、負雙電源。

以下我們舉例來(lái)說(shuō)明模擬隔離技術(shù)

圖1中的單通道隔離溫度測量電路采用了一種電容耦合的模擬隔離放大器。在電路中，一只RTD(電阻溫度探測器)將溫度轉換為一個(gè)電阻值。一個(gè)100-μA 電流源將RTD電阻值轉換為電壓。INA114儀表放大器對RTD/100-μA電壓做放大，并消除RTD接線(xiàn)電阻RL。儀表放大器的增益與隔離放大器的輸入電壓范圍相匹配。

精密隔離放大器采用占空比調制法，將儀表放大器的輸出信號通過(guò)一個(gè)電容隔離屏障做傳送。隔離放大器能夠達到最大1500V的隔離作用。這個(gè)隔離器件的輸入信號帶寬大約為50 kHz，最小電源需求為±4V。封裝采用28腳的PDIP或SOIC。

模擬隔離電路圖

很難說(shuō)哪種隔離策略會(huì )適合您的應用。這些模擬或數字隔離策略均可以應用于電路中任何需要隔離的信號，這類(lèi)電路會(huì )使用多種傳感器來(lái)測量溫度、壓力以及電流等。隔離放大器可能是一種適用的方法，因為這樣可以留在模擬域內。不過(guò)，它們有較高的電源需求。另外也可能青睞于數字隔離器，因為信號最終還會(huì )轉換到數字域。