用于數(shù)字通信接口的穩(wěn)健且超低功耗的隔離

隨著工廠自動化網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度日益提高，通常需要多個組件和模塊相連接來進(jìn)行控制與通信。這種離散的系統(tǒng)將會面對工業(yè)環(huán)境中常見的各種浪涌沖擊或噪聲干擾。因此，設(shè)計師需要提供一個既能夠防止瞬態(tài)高壓的絕緣保護(hù)也可以防止共模噪聲干擾的信號隔離方案。雖然傳統(tǒng)的光電隔離技術(shù)已經(jīng)可以滿足這種需求，但新的設(shè)計趨勢則提出了更低功耗的要求。

數(shù)字通信接口隔離

電氣隔離是為了防止帶電的粒子從一個電路游動到另外一個電路。在互相隔離的兩個電路之間，它們的供電、接地以及電路之間不可以有任何物理上的傳導(dǎo)連接。同時，兩個電路之間必要的信息可以通過其他的方式進(jìn)行傳輸和交換，如使用光電轉(zhuǎn)換的方式進(jìn)行交換。

在數(shù)字通信上需要隔離有四個主要理由：首先，它可以用來隔離并保護(hù)由一個模塊產(chǎn)生的瞬間高電壓浪涌，造成另外一個模塊的損壞。這一點(diǎn)對工業(yè)環(huán)境特別重要，因?yàn)橥ǔ４笮偷母唠妷簷C(jī)械設(shè)備都會通過通信總線互相連接在一起。第二，隔離器也可以用來進(jìn)行信號電平的轉(zhuǎn)換，或者調(diào)整不同電源電壓工作系統(tǒng)或電路間的電平邏輯信號。例如，微處理器可能以3.3V的電源工作，而I/O設(shè)備則以5V的電源工作，光電耦合器則可以用來連接這些不同的模塊。第三，隔離器也可以用來抑制共模瞬變噪聲。共模噪聲可能會造成輸出信號異常的電壓變化或者過大的噪聲，光電耦合器的耦合電容比較小，可以直接有效地降低共模電壓，保證信號的質(zhì)量。共模噪聲的抑制對于容易受到干擾的電路，如傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號發(fā)送器等，都非常重要。最后，隔離器也可以用來切斷不同接地電平所造成的接地環(huán)路。接地環(huán)路會帶來電氣系統(tǒng)中共用路徑兩點(diǎn)之間不必要的電流流動。接地環(huán)路電流如果沒有被消除，將會嚴(yán)重影響信號的完整性，甚至觸發(fā)錯誤信號。

圖1 典型的隔離SPI接口

數(shù)字通信低功耗隔離方案

光耦在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，它可以用來隔離Profibus、DeviceNet、USB、I2C、RS485和CANBus等現(xiàn)場總線系統(tǒng)。光耦可以為整個系統(tǒng)提供高電壓的浪涌保護(hù)，也可以幫助消除接地環(huán)路當(dāng)中的噪聲，還可以被用來在開關(guān)電源一次側(cè)和二次側(cè)之間對反饋信號或者PWM驅(qū)動信號進(jìn)行隔離。另外，光耦亦可以用來提供POE（Power-Over-Ethernet），也就是以太網(wǎng)供電內(nèi)的熱切換控制器和主控制器間接口的隔離和噪聲控制。

在工廠自動化中，控制單元必須和外部通信，由于在不同的網(wǎng)絡(luò)層和物理位置有很多的互連設(shè)備，因此接地環(huán)路和高瞬變短脈沖在現(xiàn)場總線應(yīng)用當(dāng)中是非常普遍的。需要有高共模抑制能力的高速數(shù)字光電耦合器來隔離并保護(hù)這些系統(tǒng)。適當(dāng)?shù)母綦x可以確保系統(tǒng)MCU或DSP所提供的數(shù)字信號可以安全、精確地對電機(jī)進(jìn)行控制。

SPI串行外設(shè)接口是一個廣泛應(yīng)用的通信總線，它可以讓多個從屬端連接到一個主控端上進(jìn)行通信與控制。SPI使用3個主要的邏輯信號，分別為串行時鐘、信號輸入（SDI）和信號輸出（SDO）。如果只使用單一的從屬端，那么第四條信號線從屬選擇（SS）就可以設(shè)定為低電平。SPI可以用來替代并行接口，避免并行電路、環(huán)繞PCB的麻煩。例如帶有SPI輸出的12位的ADC可以把12條信號線縮減為單一的SPI輸出，付出的代價就是數(shù)據(jù)的有效傳輸速度。假設(shè)使用相同的串行速度，那么有效速度就會降低12倍。圖1中提供了典型的隔離SPI接口，要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，主控端首先要使用低于或者等于從屬端器件可以支持的最高頻率進(jìn)行時鐘配置。在每個SPI時鐘周期，會發(fā)生全雙工的數(shù)據(jù)傳輸。主控端在SDI線送出一位的信息，從屬端就在相同線路補(bǔ)入。從屬端在SDO線路送出一位數(shù)據(jù)，那么主控端也由相應(yīng)的線路補(bǔ)入。在整個SPI的數(shù)據(jù)傳輸中，環(huán)路延遲對于系統(tǒng)的正常運(yùn)行非常重要。低功耗的高速光耦系列，采用了快速CMOS技術(shù)，整個環(huán)路延遲大約為92ns。


在光電耦合器工作時，有兩個主要的部件會消耗電流，分別為驅(qū)動LED的正向電流IF以及將LED的光電信號轉(zhuǎn)換為電氣信號的檢測器電流ID。光電耦合器可以通過降低LED的驅(qū)動電流和檢測器電流來達(dá)到低功耗。電源效率通常是工程師必須持續(xù)努力改進(jìn)的關(guān)鍵的性能參數(shù)。選用低功耗的光電耦合器有四個重要的理由：首先，它可以降低整體功耗；其次，通過較低的功耗可以減少發(fā)熱，從而簡化溫度管理系統(tǒng)設(shè)計；第三，通過使用較低的驅(qū)動電流，光電耦合器的LED壽命可以大大延長；最后，低于4mA的LED驅(qū)動電流可以由大部分微控制器以及ASIC直接驅(qū)動，不需要外部緩沖器。

圖2顯示了Avago的光電耦合器在85℃到105℃的條件下，以2mA的驅(qū)動電流工作時，現(xiàn)場工作年限和電流轉(zhuǎn)換比（CTR）的衰減度?；旧希琇ED的工作壽命和驅(qū)動電流是成反比的，通過降低驅(qū)動電流，LED的工作壽命可以大幅提升。圖2中的數(shù)字使用了采用Black’s Model計算的等效現(xiàn)場小時數(shù)，是基于LED 100%被點(diǎn)亮，使用了三個西格瑪?shù)臄?shù)據(jù)，Avago的LED CTR的衰減為5%，可以實(shí)現(xiàn)長達(dá)35年的連續(xù)工作壽命。

圖2 Avago的光電耦合器在85℃到105℃的條件下，2mA的工作電流時，現(xiàn)場工作年限和電流轉(zhuǎn)換比（CTR）的衰減度

創(chuàng)新設(shè)計技術(shù)和功能

使用光電耦合器有幾個重要的好處，除了可以提供MCU或DSP的直接連接以外，也可以方便地改變輸出的極性。最重要的是，光電耦合器提供了卓越的抗噪聲能力，非常適合使用在高噪聲的電器環(huán)境中。

以往的光電耦合器可能需要在MCU或者DSP的輸出連接一個緩沖器來提高LED的驅(qū)動電流。目前Avago最新的光電耦合器可以使用最低40μA的正向電流點(diǎn)亮。這類光電耦合器可以被大部分的微處理器直接驅(qū)動，不需要外加緩沖器，從而節(jié)約器件的數(shù)量并簡化電路板的設(shè)計。

大部分隔離器都擁有預(yù)先設(shè)定好的輸出配置，例如反相或者同相。反相代表輸出信號與輸入信號極性相反。例如，輸入邏輯為高電平時，輸出邏輯為低電平。同相則代表輸出信號與輸入信號極性相同。LED光電耦合器可以在不使用反相器的情況向改變輸出極性。圖3中，左圖的電路連接方式可以提供反相輸出，通過將Vin連接在Vcc，并且接地連接到Vin，就可隨著工廠自動化網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度日益提高，通常需要多個組件和模塊相連接來進(jìn)行控制與通信。這種離散的系統(tǒng)將會面對工業(yè)環(huán)境中常見的各種浪涌沖擊或噪聲干擾。因此，設(shè)計師需要提供一個既能夠防止瞬態(tài)高壓的絕緣保護(hù)也可以防止共模噪聲干擾的信號隔離方案。雖然傳統(tǒng)的光電隔離技術(shù)已經(jīng)可以滿足這種需求，但新的設(shè)計趨勢則提出了更低功耗的要求。

數(shù)字通信接口隔離

電氣隔離是為了防止帶電的粒子從一個電路游動到另外一個電路。在互相隔離的兩個電路之間，它們的供電、接地以及電路之間不可以有任何物理上的傳導(dǎo)連接。同時，兩個電路之間必要的信息可以通過其他的方式進(jìn)行傳輸和交換，如使用光電轉(zhuǎn)換的方式進(jìn)行交換。

在數(shù)字通信上需要隔離有四個主要理由：首先，它可以用來隔離并保護(hù)由一個模塊產(chǎn)生的瞬間高電壓浪涌，造成另外一個模塊的損壞。這一點(diǎn)對工業(yè)環(huán)境特別重要，因?yàn)橥ǔ４笮偷母唠妷簷C(jī)械設(shè)備都會通過通信總線互相連接在一起。第二，隔離器也可以用來進(jìn)行信號電平的轉(zhuǎn)換，或者調(diào)整不同電源電壓工作系統(tǒng)或電路間的電平邏輯信號。例如，微處理器可能以3.3V的電源工作，而I/O設(shè)備則以5V的電源工作，光電耦合器則可以用來連接這些不同的模塊。第三，隔離器也可以用來抑制共模瞬變噪聲。共模噪聲可能會造成輸出信號異常的電壓變化或者過大的噪聲，光電耦合器的耦合電容比較小，可以直接有效地降低共模電壓，保證信號的質(zhì)量。共模噪聲的抑制對于容易受到干擾的電路，如傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號發(fā)送器等，都非常重要。最后，隔離器也可以用來切斷不同接地電平所造成的接地環(huán)路。接地環(huán)路會帶來電氣系統(tǒng)中共用路徑兩點(diǎn)之間不必要的電流流動。接地環(huán)路電流如果沒有被消除，將會嚴(yán)重影響信號的完整性，甚至觸發(fā)錯誤信號。

圖1 典型的隔離SPI接口

數(shù)字通信低功耗隔離方案

光耦在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，它可以用來隔離Profibus、DeviceNet、USB、I2C、RS485和CANBus等現(xiàn)場總線系統(tǒng)。光耦可以為整個系統(tǒng)提供高電壓的浪涌保護(hù)，也可以幫助消除接地環(huán)路當(dāng)中的噪聲，還可以被用來在開關(guān)電源一次側(cè)和二次側(cè)之間對反饋信號或者PWM驅(qū)動信號進(jìn)行隔離。另外，光耦亦可以用來提供POE（Power-Over-Ethernet），也就是以太網(wǎng)供電內(nèi)的熱切換控制器和主控制器間接口的隔離和噪聲控制。

在工廠自動化中，控制單元必須和外部通信，由于在不同的網(wǎng)絡(luò)層和物理位置有很多的互連設(shè)備，因此接地環(huán)路和高瞬變短脈沖在現(xiàn)場總線應(yīng)用當(dāng)中是非常普遍的。需要有高共模抑制能力的高速數(shù)字光電耦合器來隔離并保護(hù)這些系統(tǒng)。適當(dāng)?shù)母綦x可以確保系統(tǒng)MCU或DSP所提供的數(shù)字信號可以安全、精確地對電機(jī)進(jìn)行控制。

SPI串行外設(shè)接口是一個廣泛應(yīng)用的通信總線，它可以讓多個從屬端連接到一個主控端上進(jìn)行通信與控制。SPI使用3個主要的邏輯信號，分別為串行時鐘、信號輸入（SDI）和信號輸出（SDO）。如果只使用單一的從屬端，那么第四條信號線從屬選擇（SS）就可以設(shè)定為低電平。SPI可以用來替代并行接口，避免并行電路、環(huán)繞PCB的麻煩。例如帶有SPI輸出的12位的ADC可以把12條信號線縮減為單一的SPI輸出，付出的代價就是數(shù)據(jù)的有效傳輸速度。假設(shè)使用相同的串行速度，那么有效速度就會降低12倍。圖1中提供了典型的隔離SPI接口，要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，主控端首先要使用低于或者等于從屬端器件可以支持的最高頻率進(jìn)行時鐘配置。在每個SPI時鐘周期，會發(fā)生全雙工的數(shù)據(jù)傳輸。主控端在SDI線送出一位的信息，從屬端就在相同線路補(bǔ)入。從屬端在SDO線路送出一位數(shù)據(jù)，那么主控端也由相應(yīng)的線路補(bǔ)入。在整個SPI的數(shù)據(jù)傳輸中，環(huán)路延遲對于系統(tǒng)的正常運(yùn)行非常重要。低功耗的高速光耦系列，采用了快速CMOS技術(shù)，整個環(huán)路延遲大約為92ns。

在光電耦合器工作時，有兩個主要的部件會消耗電流，分別為驅(qū)動LED的正向電流IF以及將LED的光電信號轉(zhuǎn)換為電氣信號的檢測器電流ID。光電耦合器可以通過降低LED的驅(qū)動電流和檢測器電流來達(dá)到低功耗。電源效率通常是工程師必須持續(xù)努力改進(jìn)的關(guān)鍵的性能參數(shù)。選用低功耗的光電耦合器有四個重要的理由：首先，它可以降低整體功耗；其次，通過較低的功耗可以減少發(fā)熱，從而簡化溫度管理系統(tǒng)設(shè)計；第三，通過使用較低的驅(qū)動電流，光電耦合器的LED壽命可以大大延長；最后，低于4mA的LED驅(qū)動電流可以由大部分微控制器以及ASIC直接驅(qū)動，不需要外部緩沖器。

圖2顯示了Avago的光電耦合器在85℃到105℃的條件下，以2mA的驅(qū)動電流工作時，現(xiàn)場工作年限和電流轉(zhuǎn)換比（CTR）的衰減度。基本上，LED的工作壽命和驅(qū)動電流是成反比的，通過降低驅(qū)動電流，LED的工作壽命可以大幅提升。圖2中的數(shù)字使用了采用Black’s Model計算的等效現(xiàn)場小時數(shù)，是基于LED 100%被點(diǎn)亮，使用了三個西格瑪?shù)臄?shù)據(jù)，Avago的LED CTR的衰減為5%，可以實(shí)現(xiàn)長達(dá)35年的連續(xù)工作壽命。

圖2 Avago的光電耦合器在85℃到105℃的條件下，2mA的工作電流時，現(xiàn)場工作年限和電流轉(zhuǎn)換比（CTR）的衰減度

創(chuàng)新設(shè)計技術(shù)和功能

使用光電耦合器有幾個重要的好處，除了可以提供MCU或DSP的直接連接以外，也可以方便地改變輸出的極性。最重要的是，光電耦合器提供了卓越的抗噪聲能力，非常適合使用在高噪聲的電器環(huán)境中。

以往的光電耦合器可能需要在MCU或者DSP的輸出連接一個緩沖器來提高LED的驅(qū)動電流。目前Avago最新的光電耦合器可以使用最低40μA的正向電流點(diǎn)亮。這類光電耦合器可以被大部分的微處理器直接驅(qū)動，不需要外加緩沖器，從而節(jié)約器件的數(shù)量并簡化電路板的設(shè)計。

大部分隔離器都擁有預(yù)先設(shè)定好的輸出配置，例如反相或者同相。反相代表輸出信號與輸入信號極性相反。例如，輸入邏輯為高電平時，輸出邏輯為低電平。同相則代表輸出信號與輸入信號極性相同。LED光電耦合器可以在不使用反相器的情況向改變輸出極性。圖3中，左圖的電路連接方式可以提供反相輸出，通過將Vin連接在Vcc，并且接地連接到Vin，就可以得到同相輸出，這樣做也有助于減少器件數(shù)。

圖3 使用LED輸入光電耦合器改變輸出極性

共模噪聲是數(shù)字通信應(yīng)用中的重要問題，特別是在電動機(jī)、傳感器和可編程控制器（PLC）相互連接的工作環(huán)境中。在這類系統(tǒng)中，隔離器有助于降低噪聲，并且強(qiáng)化信號的完整性。所有的隔離器不管采用何種技術(shù)，都會在器件的兩個隔離端之間產(chǎn)生寄生電容。發(fā)生在輸出端的噪聲變化，可能會引起輸入端不必要的電壓上升，造成輸入的錯誤觸發(fā)，甚至低阻抗邏輯的輸入鎖定。帶有LED輸入的光電耦合器非常適合于高共模噪聲環(huán)境的應(yīng)用。首先，光信號通過透光的絕緣材料的衰減是非常低的，因此隔離的距離可以加大，較大的隔離距離的直接好處是可以實(shí)現(xiàn)比較低的寄生電容。也就是說，輸入和輸出端之間不必要的耦合可以降至最低。第二，通過使用分離式的電阻輸入驅(qū)動方式，將原來單一的限流電阻分成兩個小阻值的電阻，連接在LED的兩端，可以平衡LED輸入上的阻抗，在這種配置中，由共模噪聲造成的LED輸入上的電壓上升會比較對等，因此，不會點(diǎn)亮LED。第三，LED輸入擁有相對較高的輸入電容，一般為70pF。LED和限流電阻串聯(lián)可以作為低通濾波器濾除高頻噪聲。通過使用平衡式的分流電阻，光電耦合器的共模抑制比即使在驅(qū)動電流只有2mA時，也可以提高到35kV/ms。

共模抑制在隔離器上有兩種形式：靜態(tài)和動態(tài)。靜態(tài)CMR是指輸入為固定高電平或者低電平情況下的共模噪聲抑制能力，通常系統(tǒng)為備用或者待機(jī)的狀態(tài)。在這些狀態(tài)下，系統(tǒng)的部分組件被關(guān)斷以節(jié)約功耗，只剩下部分模塊來檢測信號。系統(tǒng)必須維持相同的邏輯狀態(tài)，不管環(huán)境中有沒有發(fā)生靜態(tài)共模噪聲。這主要是為了確保噪聲不會造成系統(tǒng)的誤觸發(fā)。在動態(tài)環(huán)境下，系統(tǒng)通過邏輯高電平與低電平不停地發(fā)送信號，要避免共模噪聲耦合到輸入信號上，系統(tǒng)就必須濾除這些噪聲，稱為動態(tài)CMR。對于部分的隔離器來說，系統(tǒng)的動態(tài)CMR通常要低于靜態(tài)CMR。Avago的光電耦合器會檢測由輸入信號設(shè)定的正向電流大小，并且把光輸出到檢測器，因此它的結(jié)構(gòu)決定了在動態(tài)和靜態(tài)環(huán)境下的性能是相當(dāng)?shù)摹?BR>
Avago的光電耦合器在數(shù)字上面可以滿足高速設(shè)備的要求，LED輸入的光電耦合器具有可以在輸入限流電阻上并聯(lián)一個峰化電容的能力，來提高速度性能。峰化電容的大小，可以由輸入信號的上升和下降時間、電源電壓以及LED的輸入電流驅(qū)動來決定。圖4中，左圖為一個電源電容的電路，右圖是測試的結(jié)果。從圖中可以看出傳輸延遲和脈寬失真可以通過加入峰化電容進(jìn)行改善。其中，實(shí)線部分是沒有加峰化電容時的表現(xiàn)，虛線部分是加入了峰化電容以后的改善情況。

圖4 通過在串行輸入限流電阻上并聯(lián)一個峰化電容，可以提升光電耦合器的速度性能(tplh、tphl和PWD)

在系統(tǒng)上電或者掉電的瞬間，有些芯片的I/O口可能處于不確定的狀態(tài)，甚至?xí)ν獍l(fā)出一些錯誤的脈沖。新一代的低功耗光電耦合器集成了類似欠壓鎖定的功能來避免電源遺失或恢復(fù)時對輸出造成的干擾。這一功能在設(shè)計上主要是為了確保輸出在電源啟動或者關(guān)閉的時候處于確定的狀態(tài)而不會發(fā)出假信號。

設(shè)計工程師通常會面臨不同的通信接線，由于負(fù)載不同而造成上升和下降時間差異的問題。圖5中可以看到，較高的負(fù)載電容會使輸出上升和下降的時間較長，造成傳輸延時、脈寬失真的變化差異。Avago新一代光電耦合器中加入了擺率可控輸出，確保輸出在不同負(fù)載電容下?lián)碛蟹€(wěn)定的上升和下降時間。這對一點(diǎn)對于并行通信連接特別重要。

圖5 由于負(fù)載不同而造成上升和下降時間差異的問題

數(shù)字通信系統(tǒng)面臨著四個影響可靠性和性能的電路問題，分別為高壓脈沖瞬變、不同接地瞬變造成的共模噪聲、接地環(huán)路和電平不兼容問題。超低功耗光電耦合器不僅可以節(jié)省功耗，還可簡化電源和溫度管理的設(shè)計，提高LED使用壽命并直接和微控制器連接。Avago可以提供不需犧牲高電壓絕緣和噪聲隔離性能的低功耗隔離方案。 LED輸入光電耦合器除了可以改變輸出極性并通過加入峰化電容提升速度外，分離式平衡電阻的使用還為其帶來了卓越的抗噪能力。

問答選編

問：功率驅(qū)動電路中的光電隔離和過零檢測電路中的光電隔離的原理有什么區(qū)別？如何正確選擇光電耦合器？

答：從光電隔離的角度來說二者相似。功率驅(qū)動電路中的光耦擁有強(qiáng)大的電流輸出功能，可以用來驅(qū)動如IGBT或Power MOSFET。過零檢測電路中的光耦則可能是常見的HCPL-817光電晶體管，其功能是信號輸出，無法驅(qū)動功率器件。

問：瓷封裝和塑料封裝光耦合器在性能和可靠性上有什么差別？

答：工業(yè)項(xiàng)目中使用塑料封裝光耦合器就足夠了。通常陶瓷封裝是在軍事或衛(wèi)星使用。

問：什么叫擺率可控輸出？

答：擺率可控輸出：基本上輸出擺率會隨著輸出負(fù)載變動，因?yàn)樾枰鄷r間對更高負(fù)載充電。傳播延遲和PWD也會隨著負(fù)載電容增加，對線路負(fù)載電容不同的平行通信造成問題。光電耦合器內(nèi)置擺率可控功能，確保輸出在不同負(fù)載電容下?lián)碛蟹€(wěn)定的上升和下降時間。

問：模擬絕緣放大器在應(yīng)用上要注意什么問題？

答：主要注意模擬絕緣放大器兩邊應(yīng)提供穩(wěn)定的電源、在 PCB板上布線以及選擇適當(dāng)?shù)妮斎胄盘柗秶?BR>
問：為了獲得更好的共模抑制特性，數(shù)字光電耦合隔離器的引腳如何設(shè)置？

答：為了確保良好的共模抑制特性，可在陽極和陰極都輸入阻抗平衡的LED（即正向電流和返回電流路徑）。通過使用“分裂電阻”的方法，可以平衡各LED的輸入阻抗。在這種配置中，由于在LED輸入共模噪聲電壓的上升將是對稱的，所以不能打開LED，從而相對獨(dú)立的輸入正向電流。

問：光耦隔離的響應(yīng)速度和那些因素有關(guān)？目前大到什么水平？

答：主要與LED、光電感應(yīng)器等的速度有關(guān)。目前高達(dá)到50MB（HCPL-0710)。

問：光電耦合器有必要再在外部進(jìn)一步屏蔽嗎？目前有產(chǎn)品化的外屏蔽光耦嗎？

答：除非是處于極端嘈雜的環(huán)境或爆炸性環(huán)境中，才可能要附上在PCB的接地外殼。

問：在數(shù)字開關(guān)電源中，光耦隔離器如何設(shè)計才能達(dá)到精密穩(wěn)壓要求？

答：視設(shè)計之要求而定，可能需要使用更高的數(shù)據(jù)速率。HCPL - 0723光電耦合器即可提供更快速的數(shù)字通信。