出色模擬工程師必備系列(三):數(shù)字隔離與模擬隔離

　　工業(yè)電路設(shè)計(jì)的工程師都要用隔離技術(shù)來解決安全問題、法規(guī)監(jiān)管，以及接地層問題。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(shè)備遭受到有潛在危險(xiǎn)的浪涌電流和電壓。其次，它可以防止意外的接地回路，從數(shù)據(jù)鏈路和其它互連對(duì)信號(hào)造成干擾。根據(jù)幾種常見的隔離技術(shù)做詳細(xì)和說明。

　　數(shù)字隔離技術(shù)介紹

　　多年來，工業(yè)、醫(yī)療和其他隔離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)安全隔離的手段有限，唯一合理的選擇是光耦合器。如今，數(shù)字隔離器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方面均有優(yōu)勢(shì)。了解數(shù)字隔離器三個(gè)關(guān)鍵要素的特點(diǎn)及其相互關(guān)系，對(duì)于正確選擇數(shù)字隔離器十分重要。這三個(gè)要素是：絕緣材料、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法。

　　設(shè)計(jì)人員之所以引入隔離，是為了滿足安全法規(guī)或者降低接地環(huán)路的噪聲等。電流隔離確保數(shù)據(jù)傳輸不是通過電氣連接或泄漏路徑，從而避免安全風(fēng)險(xiǎn)。然而，隔離會(huì)帶來延遲、功耗、成本和尺寸等方面的限制。數(shù)字隔離器的目標(biāo)是在盡可能減小不利影響的同時(shí)滿足安全要求。

　　傳統(tǒng)隔離器——光耦合器則會(huì)帶來非常大的不利影響，功耗極高，而且數(shù)據(jù)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(shù)字隔離器問世于10多年前，目的是降低光耦合器相關(guān)的不利影響。數(shù)字隔離器采用基于CMOS的電路，能夠顯著節(jié)省成本和功耗，同時(shí)大大提高數(shù)據(jù)速率。數(shù)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(biāo)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法的選擇應(yīng)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(shè)計(jì)目標(biāo)，但有一個(gè)目標(biāo)必須不折不扣地實(shí)現(xiàn)，那就是符合安全法規(guī)。

　　絕緣材料

　　數(shù)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(biāo)準(zhǔn)材料會(huì)使生產(chǎn)復(fù)雜化，導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝中使用多年。聚合物是許多光耦合器的基礎(chǔ)，作為高壓絕緣體具有悠久的歷史。

　　安全標(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)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(biāo)準(zhǔn)也會(huì)規(guī)定更短的持續(xù)時(shí)間、更高的電壓(如10 kV峰值并持續(xù)50 μs)作為增強(qiáng)絕緣認(rèn)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(shù)字隔離器與光耦合器相似，在典型工作電壓時(shí)壽命更長(zhǎng)?；赟iO2的隔離器對(duì)浪涌的防護(hù)能力相對(duì)較弱，不能用于醫(yī)療和其他應(yīng)用。

　　各種薄膜的固有應(yīng)力也不相同。聚酰亞胺薄膜的應(yīng)力低于SiO2薄膜，可以根據(jù)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15 μm時(shí)，應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致晶圓在加工過程中開裂，或者在使用期間分層。基于聚酰亞胺的數(shù)字隔離器可以使用厚達(dá)26 μm的隔離層。

　　隔離器結(jié)構(gòu)

　　數(shù)字隔離器使用變壓器或電容將數(shù)據(jù)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(dá)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(duì)變壓器線圈間距離的依賴性也弱于容性耦合對(duì)板間距離的依賴性，因此，變壓變壓器線圈之間的絕緣層可以更厚，從而獲得更高的隔離能力。結(jié)合聚酰亞胺薄膜的低應(yīng)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(xiàn)高級(jí)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(duì)來彌補(bǔ)，但這會(huì)增大尺寸并提高成本。

　　電容的優(yōu)勢(shì)之一是它使用低電流來產(chǎn)生耦合電場(chǎng)。當(dāng)數(shù)據(jù)速率較高時(shí)(25 Mbps以上)，這一優(yōu)勢(shì)就相當(dāng)明顯。

　　數(shù)據(jù)傳輸方法

　　光耦合器使用LED發(fā)出的光將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁綦x柵的另一端：LED點(diǎn)亮?xí)r表示邏輯高電平，熄滅時(shí)表示邏輯低電平。當(dāng)LED點(diǎn)亮?xí)r，光耦合器需要消耗電能;對(duì)于關(guān)注功耗的應(yīng)用，光耦合器不是一個(gè)好的選擇。多數(shù)光耦合器將輸入端和/或輸出端的信號(hào)調(diào)理留給設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)，而這并不一定是非常簡(jiǎn)單的工作。

　　數(shù)字隔離器使用更先進(jìn)的電路來編碼和解碼數(shù)據(jù)，支持更快的數(shù)據(jù)傳輸速度，能夠處理USB和I2C等復(fù)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(qū)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?yàn)椴幌窆怦詈掀?，電源無需連續(xù)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(diào)制信號(hào)，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(hào)將引起連續(xù)RF傳輸。這種方法的功耗高于脈沖方法，因?yàn)檫壿嫺唠娖叫盘?hào)需要持續(xù)消耗電能。

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

　　數(shù)字隔離器的浪涌測(cè)試

　　許多應(yīng)用要求隔離危險(xiǎn)電壓，以符合國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。為了確保設(shè)備和操作人員的安全，這些標(biāo)準(zhǔn)往往要求隔離元件(如數(shù)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(cè)試隔離器浪涌性能是開發(fā)安全、可靠器件的必要環(huán)節(jié)。

　　國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)和VDE (Verband der Elektrotechnik)兩個(gè)組織出版的標(biāo)準(zhǔn)就隔離技術(shù)在醫(yī)療、工業(yè)、消費(fèi)以及汽車等系統(tǒng)中的系統(tǒng)級(jí)和元件級(jí)應(yīng)用進(jìn)行了規(guī)定。為了確保在出現(xiàn)高壓浪涌時(shí)人員和設(shè)備的安全，這些標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)具體應(yīng)用所需要的隔離等級(jí)規(guī)定了不同的浪涌額定值。

　　共有三類常見的隔離等級(jí)：功能隔離、基本隔離和增強(qiáng)隔離。功能隔離僅有少量安全要求，因?yàn)樗话阒挥糜谝蟾綦x接地基準(zhǔn)電壓的場(chǎng)合，以保證電路能正常工作?？梢?，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(qiáng)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(hù)終端設(shè)備用戶，使其免受電擊，增強(qiáng)隔離是一種單獨(dú)的隔離系統(tǒng)，其提供的保護(hù)能力相當(dāng)于兩個(gè)冗余的單個(gè)或基本隔離系統(tǒng)。醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用一般要求增強(qiáng)隔離，以保護(hù)病人和終端用戶，使其免受致命性電擊的影響。VDE針對(duì)數(shù)字隔離器的增強(qiáng)隔離標(biāo)準(zhǔn)是VDE 0884-10，規(guī)定最小浪涌電壓(VIOSM)額定值為10 kV，同時(shí)對(duì)工作電壓(VIORM)和耐受電壓(VISO)作出了規(guī)定。

　　數(shù)字隔離器的浪涌電壓額定值規(guī)定的是在經(jīng)受連續(xù)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。

　　圖1. 浪涌電壓波形

　　測(cè)試時(shí)，把設(shè)備放在一個(gè)測(cè)試板上，使隔離柵兩端的所有引腳短路(見圖2)。將一個(gè)高壓脈沖發(fā)生器通過一個(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(jiān)控脈沖。將放電搶設(shè)置為測(cè)試計(jì)劃規(guī)定的最低電壓，示波器設(shè)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(duì)各個(gè)脈沖進(jìn)行監(jiān)控。通過驟降脈沖幅度(在不到50 μs的時(shí)間內(nèi)下降到50%)可發(fā)現(xiàn)隔離柵中的缺口。如果部件可以承受10個(gè)脈沖，則提高放電搶電壓，再施加10個(gè)脈沖。持續(xù)進(jìn)行，直到隔離柵發(fā)生故障為止，或者直到達(dá)到最大測(cè)試電壓為止。

　　圖2. 浪涌測(cè)試設(shè)置

　　能否通過該測(cè)試主要取決于隔離厚度(亦稱為隔離距離，縮寫為DTI)以及隔離材料的質(zhì)量。應(yīng)用的電場(chǎng)往往在絕緣體內(nèi)部的缺陷點(diǎn)聚集，因此，較低的缺陷密度一般會(huì)帶來較高的擊穿額定值。較厚的材料對(duì)擊穿的抗擊能力更強(qiáng)，因?yàn)閳?chǎng)強(qiáng)與絕緣體任一端的導(dǎo)體之間的距離成反比。

　　以上我們解釋了數(shù)字隔離器的隔離要素及數(shù)字隔離器的浪涌測(cè)試，下面我們將為大家?guī)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/模擬隔離">模擬隔離的技術(shù)及應(yīng)用。

　　模擬信號(hào)隔離

　　在很多系統(tǒng)中，模擬信號(hào)必須隔離。模擬信號(hào)所考慮的電路參量完全不同于數(shù)字信號(hào)。

　　模擬信號(hào)通常先要考慮：精度或線性度、頻率響應(yīng)、噪聲等。然后是對(duì)電源的要求，電源要求高隔離、高精度、低噪聲，特別是對(duì)輸入級(jí)。也應(yīng)該關(guān)注隔離放大器的基本精度或線性度不能依靠相應(yīng)的應(yīng)用電路來改善，但這些電路可降低噪聲和降低輸入級(jí)電源要求。

　　對(duì)于電源噪聲的干擾，可以采用調(diào)制載波使模擬信號(hào)跨越這個(gè)屏障。如ISO4-20的兩線無源信號(hào)隔離放大器使模擬隔離簡(jiǎn)化。輸入信號(hào)被占空度調(diào)制并以數(shù)字方式發(fā)送跨過屏障。輸出部分接收被調(diào)制的信號(hào)，把它變換回模擬信號(hào)并去掉調(diào)制/解調(diào)過程中固有的紋波成分。

　　對(duì)信號(hào)隔離的另一問題是隔離放大器輸入級(jí)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題的關(guān)鍵所在。而輸出級(jí)通常以機(jī)殼或地為基準(zhǔn)，輸入級(jí)通常浮動(dòng)在另一個(gè)電位上。因此，輸入級(jí)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(fù)雙電源。

　　以下我們舉例來說明模擬隔離技術(shù)

　　模擬輸入/輸出、儀表、運(yùn)動(dòng)控制，以及其它傳感器接口通常都采用單通道的隔離信號(hào)鏈。這些隔離通道用于將工廠車間惡劣環(huán)境下的傳感器電路與處于無噪聲控制室環(huán)境下的信號(hào)處理級(jí)分隔開來。

　　根據(jù)隔離要求，可以采用模擬隔離放大器、隔離電源、數(shù)字耦合器，或光耦合器。這些隔離電路的屏障傳導(dǎo)采用了電容、磁或光電技術(shù)。

　　圖3中的單通道隔離溫度測(cè)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(cè)器)將溫度轉(zhuǎn)換為一個(gè)電阻值。一個(gè)100-μA電流源將RTD電阻值轉(zhuǎn)換為電壓。INA114儀表放大器對(duì)RTD/100-μA電壓做放大，并消除RTD接線電阻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。

　　圖3 單通道隔離溫度測(cè)量電路采用了一種電容耦合的模擬隔離放大器

　　精密隔離放大器采用占空比調(diào)制法，將儀表放大器的輸出信號(hào)通過一個(gè)電容隔離屏障做傳送。隔離放大器能夠達(dá)到最大1500V的隔離作用。這個(gè)隔離器件的輸入信號(hào)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。

　　另一種設(shè)計(jì)方法是使用ADC。ADS1247 ADC有兩個(gè)內(nèi)部電流源，一個(gè)PGA(可編增益放大器)，以及一個(gè)delta-sigma調(diào)制器。電流源將RTD電阻轉(zhuǎn)換為電壓，并消除三個(gè)接線電阻的效應(yīng)。PGA提升RTD輸入信號(hào)，而轉(zhuǎn)換器則提供一個(gè)數(shù)字輸出信號(hào)。

　　圖4 隔離器采用了內(nèi)部電容隔離技術(shù)

　　ISO7241和ISO7221數(shù)字隔離器通過隔離屏障，傳送模數(shù)結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖4中的隔離器采用了內(nèi)部電容隔離技術(shù)，跨越隔離器傳送數(shù)字信號(hào)，采用8腳和16腳封裝。

　　很難說哪種隔離策略會(huì)適合您的應(yīng)用。這些模擬或數(shù)字隔離策略均可以應(yīng)用于電路中任何需要隔離的信號(hào)，這類電路會(huì)使用多種傳感器來測(cè)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?yàn)檫@樣可以留在模擬域內(nèi)。不過，它們有較高的電源需求。另外也可能青睞于數(shù)字隔離器，因?yàn)樾盘?hào)最終還會(huì)轉(zhuǎn)換到數(shù)字域。

　　模擬隔離電路圖

　　模擬隔離電路圖

　　CNY44模擬隔離電路圖

　　CNY44模擬隔離電路圖

　　很難說哪種隔離策略會(huì)適合您的應(yīng)用。這些模擬或數(shù)字隔離策略均可以應(yīng)用于電路中任何需要隔離的信號(hào)，這類電路會(huì)使用多種傳感器來測(cè)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?yàn)檫@樣可以留在模擬域內(nèi)。不過，它們有較高的電源需求。另外也可能青睞于數(shù)字隔離器，因?yàn)樾盘?hào)最終還會(huì)轉(zhuǎn)換到數(shù)字域。