PCB抄板信號隔離技術分析

在隔離技術中，設計者根據(jù)被隔離信號種類的不同和隔離要求，來選擇不同隔離器件是關鍵：

　　(1)第一類隔離器件依賴于光發(fā)送器和接收器來跨越隔離屏障。主要有光耦合器和隔離收發(fā)器IC。通過光來隔斷系統(tǒng)的電流，電容也避免電氣上的干擾。這類器件用于數(shù)字信號。

　　(2)模擬變壓器，通過變壓器的電磁感來耦合發(fā)送信號和接收信號。變壓器比較難制作，參數(shù)也很難精確控制，而且通常不可能制成IC，所以使用不是很方便。但線性化問題迫使模擬信號隔離采用變壓器。

　　(3)為了克服變壓器使用的不方便，工程師采用調制載波使模擬信號跨越這個屏障。所以想出了用電容器電路來耦合調制信號以跨越屏障。作用在隔離屏障上的高轉換率瞬態(tài)電壓可作為單電容屏障器件的信號，開發(fā)出雙電容差分電路以使誤差最小?，F(xiàn)在電容屏障技術已應用在數(shù)字和模擬隔離器件中。

　　一、PCB信號隔離技術

　　1 隔離串行數(shù)據(jù)流

　　隔離數(shù)字信號有很大選擇范圍。假若數(shù)據(jù)流是位串行的，則選擇方案范圍從簡單光耦合

　　器到隔離收發(fā)器IC。主要設計考慮包括：

　　(1)所需的數(shù)據(jù)速率;

　　(2)系統(tǒng)隔離端的電源要求;

　　(3)數(shù)據(jù)通道是否必須為雙向。

　　基于LED的光耦合器是用于隔離設計問題的第一種技術?，F(xiàn)在有基于LED IC可用，其數(shù)據(jù)速率為10Mb/s及以上。一個重要的設計考慮是LEC光輸出隨時間減小。所以在早期必須為LED提供過量電流，以使隨時間推移仍能提供足夠的輸出光強。因為在隔離端可能提供電很有限，所以需要提供過量電流是一個嚴重的問題。因為LED需要的驅動電流可以大于從簡單邏輯輸出級可獲得的電流，所以往往需要特殊的驅動電路。

　　2 隔離并行數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)

　　并行數(shù)字數(shù)據(jù)總線的隔離主要有六個設計參數(shù)，在串行的隔離的基礎上，將增加三個更主

　　要的設計參量：

　　(1)總線的位寬度;

　　(2)容許的偏移度;

　　(3)時鐘速度要求。

　　用一排光耦合器可完成這種任務，但支持電路可能很龐雜。光耦合器之間的傳播時間失配將導致數(shù)據(jù)偏移，從而引起在接收端的數(shù)據(jù)誤差。為使這種問題減至最小，采用隔離數(shù)字耦合器，支持在輸入和輸出端的雙緩沖數(shù)據(jù)緩存。3 模擬信號隔離

　　在很多系統(tǒng)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(shù)字信號。

　　模擬信號通常先要考慮：

　　(1)隔離精度;

　　(2)線性度;

　　(3)頻率響應;

　　(4)噪聲考慮;

　　(5)隔離電源。

　　對電源、地要求高，特別是對輸入級，要求輸入級的電源、地不受到電路其他部分的干擾，即采用隔離電源。也應該關注隔離放大器的基本精度或線性度不能依靠相應的應用電路來改善，但這些電路可降低噪聲和降低輸入級電源要求。

　　4 隔離用的多功能IC

　　帶有隔離功能的多功能數(shù)據(jù)采集IC，使設計人員有機會在跨越隔離屏時完成多個任務。一個完整的數(shù)據(jù)采集器件可包含多路模擬開關、采樣保持電路、可編程增益儀表放大器、A/D轉換器和一個或多個數(shù)字I/O通道。所有這些功能都是過一個串行數(shù)據(jù)口進行控制的。

　　有很多器件可供設計人員選用，并使用在系統(tǒng)中地電位有很大差別的設計中。每一種器件都是針對獨特系統(tǒng)要求而設計的。新器件性能集成的高水平，使得跨越隔離屏障能實現(xiàn)從前做不到的更復雜的操作。

　　二、PCB隔離信號布局布線

　　信號隔離不僅在電氣上作隔離，同時在PCB板布局布線上也作盡量隔離，主要注意以下幾點：

　　(1)注意隔離部分電路的布局，盡量布局在電路板的某一個部分，與其他電路有一定的分離。盡量保證該部分電路少受其他信號的干擾。

　　(2)注意隔離部分電源、地的隔離，一定要做好電源和地線的隔離，特別是模擬信號，對電源、地的干凈度要求高，需要通過變壓器來隔離該部分電路的電源、地。布線時也要布局分配獨立的電源、地走線或者網絡。

　　(3)隔離器件布局要合理放置，保證隔離部分的獨立性。

　　(4)部分隔離電路需要進行靜電保護、高壓保護、電磁輻射保護等，注意流出保護設備的安裝位置。

　　PCB信號隔離技術是使數(shù)字或模擬信號在發(fā)送時不存在穿越發(fā)送和接收端之間屏障的電流連接。這允許發(fā)送和接收端外的地或基準電平之差值可以高達幾千伏，并且防止可能損害信號的不同地電位之間的環(huán)路電流，主要應用在：

　　(1)系統(tǒng)地的噪聲比較大，容易使信號受損，隔離可將信號分離到一個干凈的信號子系統(tǒng)地、電源中，保證隔離部分信號的可靠性，達到系統(tǒng)設計要求。

　　(2)系統(tǒng)電壓差非常大。比如在強電電路中，我們通常是通過隔離，將工作電壓轉化到IC允許的工作范圍之內。

　　(3)基準電平之間的電連接可產生一個對于操作人員不安全的電流通路。通過隔離將電流控制在安全范圍之內。