信號和電源隔離的有效設計技術(shù)

介紹

如今，電子產(chǎn)品設計師比以往任何時(shí)候都更面臨著(zhù)一系列共同的目標：實(shí)現更高的吞吐量、更高的分辨率、更高效的系統和縮短上市時(shí)間。在工業(yè)自動(dòng)化、醫療電子或電信系統等領(lǐng)域，通常需要電隔離多個(gè)信號，以使子系統能夠共享數據或控制信號，而不允許噪聲或高壓干擾系統的完整性和安全。

隔離信號不足以提供真正的噪聲和高壓的真正隔離——電源也需要隔離。設計一個(gè)孤立的電源通常需要專(zhuān)門(mén)的技能和經(jīng)驗。它需要花費寶貴的時(shí)間和多次迭代來(lái)完成它。

信號隔離基礎

隔離信號是提供以下設計關(guān)鍵功能的必要條件：

電壓隔離提供了一個(gè)介電屏障，在需要更高功率水平的系統中，它可以作為一個(gè)絕緣體來(lái)對抗高電壓。

在不同電壓軌道下運行的電路之間實(shí)現無(wú)噪聲數據傳輸是一個(gè)常見(jiàn)的挑戰 。盡管有許多非隔離的電平移位器可用來(lái)規避這個(gè)問(wèn)題，但使用隔離器提供了幾個(gè)可靠的優(yōu)點(diǎn)。隔離器是最無(wú)噪聲和最健壯的解決方案，它們可以防止寄生路徑可能會(huì )無(wú)意中打開(kāi)或關(guān)閉設備。

噪音消除：隔離產(chǎn)品將電路的接地電流（返回路徑）限制在屏障的一側，為另一側的敏感測量提供了無(wú)噪聲的環(huán)境。

系統注意事項

為了確保實(shí)現了真正的隔離，電路設計人員必須消除從一個(gè)電路（圖1中的電路A）到另一個(gè)需要隔離的電路（圖1中的電路B）的所有可能的耦合路徑。因此，在隔離信號時(shí)，隔離電源也同樣重要。對于一個(gè)電路設計者來(lái)說(shuō)，隔離信號的挑戰確實(shí)是雙重的：提供安全、可靠和準確的信號隔離以及功率隔離。有多種針對信號隔離的解決方案可以滿(mǎn)足設計者的需求——基于數據速率能力、抖動(dòng)限制、噪聲豁免問(wèn)題、高電壓能力、符合各種隔離組件安全標準等。然而，對于許多只需要一瓦特左右的隔離電力的應用程序，還沒(méi)有現成的或容易實(shí)現的電力隔離解決方案。

圖1：需要隔離信號和電源

應用程序示例

工廠(chǎng)自動(dòng)化系統依賴(lài)于高效和可靠的實(shí)時(shí)分布式網(wǎng)絡(luò )來(lái)監控和控制復雜的制造過(guò)程。在這些系統中使用的一個(gè)典型的和簡(jiǎn)化的層次結構如圖6所示。頂部控制室的人機界面連接到中間控制器層 ，最后連接到物理層，傳感器和驅動(dòng)器作為電機驅動(dòng)單元或由PLC（可編程邏輯控制器）控制的機器的一部分。

圖2：需要隔離的工廠(chǎng)自動(dòng)化系統的示例

物理層連接工藝模塊中的傳感器和執行器，并穿過(guò)工廠(chǎng)層或裝置。如圖2所示，基于can的總線(xiàn)與各種電機控制單元通信，而基于rs-485的總線(xiàn)（propic總線(xiàn)）與工廠(chǎng)底層的各種機器通信。這些物理層通常用于工業(yè)自動(dòng)化，因為它們即使在嘈雜的環(huán)境中也非常健壯，并支持在可能覆蓋數百平方米的工廠(chǎng)地板上所需的長(cháng)距離、多點(diǎn)通信。這些總線(xiàn)有多個(gè)節點(diǎn)，它們通過(guò)CAN或RS-485收發(fā)器連接到總線(xiàn)。隔離這些接口對于保護高壓、高電磁（EM）噪聲和網(wǎng)絡(luò )內的大地面電位差至關(guān)重要。

圖3顯示了與處理器隔離的RS-485收發(fā)器節點(diǎn)的詳細圖。隔離的電源方案稱(chēng)為隔離直流直流轉換器塊。開(kāi)發(fā)人員很少有易于部署的高性能解決方案、孤立的電源解決方案。設計師經(jīng)常需要自己設計從頭開(kāi)始為隔離器的二次側和隔離側的RS-485收發(fā)器提供隔離電源。

圖3。隔離RS-485收發(fā)器

圖3中的收發(fā)器是一個(gè)半雙工設備，其接收和傳輸線(xiàn)路連接在一起。它通過(guò)圖3中標記為A和B的差動(dòng)I/Os與RS-485總線(xiàn)進(jìn)行通信。收發(fā)器通過(guò)其單端數字I/O標記Rx（接收器）和Tx（****）以及控制****的EN（啟用引腳）信號向處理器提供接口。

該收發(fā)器通常有2到4個(gè)數字信號，需要快速和準確的數字隔離，并需要0.5W到1W的功率，這必須由一個(gè)具有以下特性的專(zhuān)用隔離源提供：

l 緊湊型解決方案：根據特定的應用，空間可能是溢價(jià)的，一般來(lái)說(shuō)，較小的BOM總是更的制造性、可靠性和成本。

l 高效率：重要的是要有一個(gè)緊湊的、高效的解決方案，以便使熱量保持在最低限度， 并能保持綠色能源標準。

l 低EMI：對于敏感的測量，保持整個(gè)系統噪聲的最低限度是至關(guān)重要的。為了微調****頻譜到一個(gè)特定的用例，最好有一個(gè)可編程的頻率選項，它允許用戶(hù)選擇DC/DC轉換器的切換頻率。

l 安全特點(diǎn)：在安全最重要的工業(yè)環(huán)境中，建議設備采用軟啟動(dòng)選項，以避免涌入電流、電流限制能力和熱檢測，并在熱量過(guò)大的情況下自動(dòng)關(guān)閉。

l 多重隔離通道：最后，該解決方案需要支持多個(gè)隔離通道，至少具有2.5kVrms的分級隔離能力，以滿(mǎn)足安全標準。即使在高噪聲的環(huán)境中，隔離器也需要具有良好的信號完整性。

工業(yè)隔離的解決方案

市場(chǎng)上只有少數產(chǎn)品能在緊湊性和發(fā)電能力之間以及最小化排放和最大化效率之間達到正確的平衡。

使用場(chǎng)效應晶體管、控制器、單通道隔離器（或光電通管）進(jìn)行反饋以及其他支持BOM用于功率隔離的離散解決方案是非常常見(jiàn)的。這樣的解決方案必須從頭開(kāi)始設計，需要專(zhuān)門(mén)的經(jīng)驗和技能，需要多次迭代才能正確。

一些解決方案將數字隔離和電力變壓器集成在一個(gè)集成電路包中。這些空氣芯變壓器的耦合系數很差，需要在很高的頻率下驅動(dòng)以提供等效的功率。這導致EMI的排放量更高，這對許多設計師來(lái)說(shuō)是一個(gè)強大的威懾。

此外，這些產(chǎn)品的功率轉換器效率通常較低，從10-35%開(kāi)始。在空間昂貴的應用中，效率是“ 不關(guān)心”，高排放不是問(wèn)題，這些可能會(huì )奏效。但通常情況下，這樣的解決方案并不令人信服。

還有其他解決方案集成信號隔離器和直流-直流轉換器，并設計與離散變壓器。這種方法優(yōu)化了最高的效率和集成。這些解決方案是一個(gè)完整的解決方案，結構緊湊，可以以約78%的效率提供高達2W的功率。

例如，硅實(shí)驗室的Si88xx隔離產(chǎn)品將四數字隔離器與改進(jìn)的飛回拓撲dc-dc轉換器與內置的二次傳感反饋控制相結合。Si88xx器件通過(guò)采用抖動(dòng)技術(shù)被設計為極低的排放。

其他功能包括軟啟動(dòng)能力以避免啟動(dòng)時(shí)的涌流、循環(huán)循環(huán)限流、過(guò)溫事件的熱檢測和關(guān)閉，以及循環(huán)跳過(guò)以減少開(kāi)關(guān)損耗，從而在較輕負載時(shí)提高效率。

Si88xx隔離器的選項可用于從5V到24 V的各種電壓水平，以及數字隔離通道的各種組合及其方向性。該解決方案利用硅實(shí)驗室專(zhuān)有的信號隔離技術(shù)，以其標志性的低EMI配置文件，提供高集成、高效和非常低的EMI。

圖4提供了一個(gè)Si88xx隔離器的簡(jiǎn)化方框圖。除了四個(gè)高速數字隔離通道外，Si88xx設備還集成了一個(gè)直流-直流控制器和內部FET開(kāi)關(guān)，可以調制功率到外部變壓器。輸出端通過(guò)外部電阻分配器進(jìn)行反饋，以提供優(yōu)秀的線(xiàn)路和負載調節。

直流-直流轉換器采用抖動(dòng)技術(shù)來(lái)最小化電磁干擾峰值，并采用零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）方案來(lái)最小化調制變壓器功率時(shí)的功率損耗。該設備在輕負載下使用循環(huán)跳過(guò)來(lái)減少開(kāi)關(guān)損耗和提高效率。多種安全特性包括逐循環(huán)限流、軟啟動(dòng)以避免涌入電流和熱關(guān)閉。該設備還包含了幾個(gè)用戶(hù)可編程的功能，如軟啟動(dòng)時(shí)間控制，dc-dc轉換器的關(guān)閉選項和開(kāi)關(guān)頻率控制，以微調EMI配置文件。

圖4：帶集成直流-直流轉換器的高速數字隔離器

圖5：用于隔離RS-485接口的Si88xx解決方案

總結

優(yōu)雅的解決方案，結合了優(yōu)秀的數字隔離特性，高功率轉換效率和極低的EMI排放，現在可用，使數字設計師的開(kāi)發(fā)更容易。這些都是即插即用的解決方案，消除了昂貴的設計時(shí)間和迭代，并將猜測完全排除在外，確保了首次成功和最快的上市時(shí)間。