利用數(shù)字隔離器優(yōu)化隔離系統(tǒng)設(shè)計(jì)

內(nèi)容提要

　　工業(yè)環(huán)境中使用的測量器件往往需要進(jìn)行隔離以確保用戶和系統(tǒng)安全，同時(shí)也是為了保證在高共模電壓下獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果。數(shù)字隔離器為光耦合器一類的較老技術(shù)提供了一種可靠、易用的替代方案。利用數(shù)字隔離器，工程師們可以優(yōu)化隔離系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以降低功耗、保證系統(tǒng)性能，同時(shí)無需借助額外的設(shè)計(jì)裕量來補(bǔ)償缺失或不完整的器件規(guī)格。

　　簡介

　　設(shè)計(jì)隔離測量儀器頗具挑戰(zhàn)性，有時(shí)甚至?xí)钊司趩什灰?。隔離前端可以保護(hù)用戶免受測量系統(tǒng)中可能存在的致命電壓的傷害，同時(shí)允許工程師在高共模電壓下進(jìn)行精確的測量。圖1所示為此類測量的一個(gè)典型示例。在高壓燃料電池或電池組中，了解單個(gè)電池的電壓有助于確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行，同時(shí)可以最大限度地延長電池壽命。在確定單個(gè)電池的電壓時(shí)，我們必須在高達(dá)數(shù)百伏特的共模電壓下進(jìn)行測量。在用熱電偶測量載流導(dǎo)體的溫度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)類似的情況。在本例中，系統(tǒng)必須具備測量毫伏級信號分辨率的能力，同時(shí)抑制高電平的60 Hz共模噪聲，并保護(hù)操作員不受任何危險(xiǎn)電壓的傷害。

　　最初人們用隔離放大器來解決這個(gè)問題，但隨著測量帶寬和分辨率的增長，這種解決方案已經(jīng)過時(shí)?，F(xiàn)在，執(zhí)行此類測量的最精確、最經(jīng)濟(jì)、最高效技術(shù)是隔離整個(gè)測量前端（包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）），并對系統(tǒng)其余部分實(shí)施隔離串行鏈路，如圖1所示。該鏈路可以是一個(gè)局部總線（如SPI），也可以是工業(yè)協(xié)議（如RS-485），用以將測量數(shù)據(jù)長距離傳輸至控制器單元。

　　圖1. 用隔離前端測量高壓電池組中單個(gè)電池的電壓

　　可靠性設(shè)計(jì)

　　直到大約10年前，光耦合器仍然是隔離數(shù)字信號的少數(shù)可行解決方案之一。然而，如果問一問不得不用光耦合器進(jìn)行設(shè)計(jì)的工程師，您就會(huì)了解到，用光耦合器開發(fā)高效、可靠的系統(tǒng)是多么的困難，尤其是需要將成本降至最低時(shí)。光耦合器使用LED來產(chǎn)生跨越隔離柵的光，以接通和關(guān)閉光電晶體管。在用光耦合器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證LED能產(chǎn)生足夠的光來接通接收光電晶體管，同時(shí)，輸出上升和下降時(shí)間也要足夠快，以支持目標(biāo)頻率下的操作。光耦合器最重要的一個(gè)規(guī)格是電流傳輸比 （CTR）。CTR是光電晶體管上出現(xiàn)的集電極電流與通過LED的電流的比值。

　　光耦合器 CTR不但擁有極寬的容差，而且性能會(huì)隨著時(shí)間和溫度而下降。為了確保光耦合器能在高溫下使用數(shù)年之后繼續(xù)工作，工程師必須假設(shè)最差情況下的CTR，這本身就極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)楣怦詈掀鲾?shù)據(jù)手冊只列出了室溫下的 CTR規(guī)格。例如，典型光耦合器的規(guī)格表列出了25°C下50%–600%的保證CTR。另外，大多數(shù)數(shù)據(jù)手冊都包含典型圖表，顯示80°C時(shí)的CTR僅為20°C時(shí)的 CTR的大約 50%。事實(shí)上，沒有數(shù)據(jù)手冊會(huì)列出 85°C時(shí)的最小CRT，因此，您必須對該值做出假設(shè)。另外，有些研究對 CTR隨時(shí)間發(fā)生的下降進(jìn)行了模擬，但該規(guī)格同樣未列于數(shù)據(jù)手冊中，因此，您必須決定增加多少額外的設(shè)計(jì)裕量，以保證最終產(chǎn)品能在預(yù)期壽命范圍內(nèi)可靠地運(yùn)行。設(shè)計(jì)一個(gè)魯棒的隔離器電路意味著，您必須做出許多工程設(shè)計(jì)假設(shè)，需要在增加的功耗和降低的工作速度之間取舍，留出足夠的裕量以便產(chǎn)品在整個(gè)壽命期間可靠運(yùn)行。

　　數(shù)字隔離器使用非光學(xué)方式來橫跨隔離柵發(fā)送數(shù)據(jù)。例如，ADI公司的隔離器采用微變壓器技術(shù)來橫跨隔離柵發(fā)送脈沖，不存在與光耦合器相關(guān)聯(lián)的時(shí)間和溫度下降效應(yīng)。這樣，可以針對器件的整個(gè)工作溫度范圍發(fā)布保證最低和最大功耗、傳播延遲和脈沖失真規(guī)格。有了完整的規(guī)格，就不需要在您的工作條件下對光耦合器進(jìn)行廣泛的特性測試，可以直接使用數(shù)據(jù)手冊中的數(shù)據(jù)來計(jì)算最差情況下的系統(tǒng)性能。您只用看看數(shù)字隔離器的保證傳播延遲、偏斜和功耗，即可利用這些數(shù)據(jù)來計(jì)算頂層系統(tǒng)時(shí)序規(guī)格，就像任何標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字集成電路一樣。也可使用其他非光學(xué)技術(shù)，例如容性、射頻（RF）和巨磁阻 （GMR）耦合。

　　表1.ADI公司ADuM140x系列數(shù)字隔離