在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中如何選擇隔離器

　　經(jīng)常網(wǎng)友提出這樣的問題，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，很困惑的一個(gè)問題是，不知如何去選擇一個(gè)合理的、適用的隔離器。前兩天，筆者采訪了ADI公司數(shù)字隔離器產(chǎn)品高級(jí)應(yīng)用工程師周曉奇，他就有關(guān)隔離器在電路中的作用、工程師在數(shù)字隔離器選型時(shí)應(yīng)該注意哪些步驟等問題，給電子工程師們一個(gè)很好的解答。

　　為什么要用隔離器

　　隔離器主要是用在隔離高壓(危險(xiǎn)電路)系統(tǒng)和低壓(安全電路)系統(tǒng)之間的電氣連接，以保護(hù)用戶以及電路系統(tǒng)安全，以及隔離敏感電路(比如高精度檢測(cè)電路)和噪聲源(例如大功率開關(guān)電源)之間的連接，以減小噪聲干擾。

　　周曉奇說，隔離器的主要結(jié)構(gòu)大致有四種： 一是傳統(tǒng)光電耦合； 二是集成式變壓器(磁耦合)；三是集成式電容耦合； 四是分立式變壓器耦合。最常用的是光耦合器，光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管(LED)，使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光檢測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。它的主要優(yōu)點(diǎn)是單向傳輸信號(hào)，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高。它廣泛用于電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離、開關(guān)電路、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。

　　隨著近幾年數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣炔粩嗵嵘瑐鹘y(tǒng)的光耦合器也暴露出一些缺點(diǎn)，例如，整個(gè)電路體積大，集成度不高，而且光電耦合器件本身具有易損耗、速度較慢(一般的數(shù)據(jù)速率低于1Mbps)、耗電量大等缺點(diǎn)，特別是在溫度和老化變化過程中的性能極不穩(wěn)定，為其應(yīng)用帶來局限，特別是在工業(yè)應(yīng)用中這些問題就比較突出。為了克服光電隔離技術(shù)的諸多缺點(diǎn)，許多半導(dǎo)體公司開始研發(fā)不發(fā)光的隔離器解決方案。周曉奇告訴記者，ADI公司是最早一家推出新型數(shù)字隔離器解決方案的公司，并于2001年率先推出基于其專有iCoupler磁耦隔離技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離產(chǎn)品。

　　新型數(shù)字隔離器

　　周曉奇介紹說，iCoupler 技術(shù)是基于芯片尺寸的變壓器，每個(gè)iCoupler通道都由兩部分組成：CMOS接口電路和芯片級(jí)變壓器。而iCoupler隔離變壓器的核心正是這個(gè)能夠穿越隔離阻障并發(fā)射與接收信號(hào)的平面變壓器，它們不僅能夠提供隔離，而且消除了光耦合器中光電轉(zhuǎn)換的缺點(diǎn)，包括功耗過大、較大的時(shí)序誤差和數(shù)據(jù)速率受限等。事實(shí)上，由于無需驅(qū)動(dòng)LED 的外部電路，iCoupler數(shù)字隔離器功耗僅為光電耦合器的1／10～1／50。

　　iCoupler隔離變壓器可實(shí)現(xiàn)數(shù)千伏(5000V) 的隔離，其高耐壓的關(guān)鍵在于發(fā)送和接收變壓器的頂層和底層線圈之間，采用厚達(dá)20 μm 的聚酰亞胺材料作為隔離層，在4 mm×4 mm芯片上集成了4個(gè)變壓器(圖1)。周曉奇說，這種新型數(shù)字隔離器的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：一，傳輸速度更快，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光耦，高達(dá)150 Mbps。二，靜態(tài)/動(dòng)態(tài)電流更小。三，壽命更長(zhǎng)，在耐高壓和耐擊穿的使用范圍內(nèi)壽命甚至可達(dá)50年。四，可以集成標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下的其他功能。五是可以在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)隔離電源，并具有更小的體積和厚度。　　iCoupler隔離器的工作原理是，當(dāng)數(shù)字隔離器的輸入端接收到信號(hào)的上升沿或者下降沿時(shí)，會(huì)將這些信號(hào)編碼成雙脈沖或者單脈沖，并通過集成變壓器傳遞到另一側(cè)。同時(shí)通過解碼器將這些脈沖信號(hào)還原成和輸入信號(hào)相同的波形。與此同時(shí)，iCoupler數(shù)字隔離器還集成了看門狗電路，當(dāng)信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間不發(fā)生變化時(shí)，輸入側(cè)的更新電路也會(huì)定時(shí)發(fā)出相應(yīng)的脈沖信號(hào)到輸出端，如果輸出端的看門狗電路長(zhǎng)時(shí)間沒有收到任何信號(hào)，會(huì)認(rèn)為輸入端進(jìn)入異常狀態(tài)，此時(shí)，輸出端的輸出信號(hào)會(huì)回到預(yù)先設(shè)定的默認(rèn)值(圖2)。

　　周曉奇表示，從2001年，ADI推出第一款iCoupler隔離器產(chǎn)品，現(xiàn)已有10大系列、100多個(gè)種類，是目前業(yè)界種類最齊全的隔離器產(chǎn)品，包括標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器、采用iso Power的數(shù)字隔離器、集成PWM控制器和變壓器驅(qū)動(dòng)器的數(shù)字隔離器、USB 2.0兼容型隔離器、隔離式門驅(qū)動(dòng)器、隔離式I2C數(shù)字隔離器、隔離式RS-485收發(fā)器、隔離式RS-232器件和隔離式Σ-Δ型ADC等?？梢哉f，幾乎任何應(yīng)用都可以找到一款合適的iCoupler產(chǎn)品來滿足您的設(shè)計(jì)需求。

　　應(yīng)用案例

　　采訪中，周曉奇還特別列舉了兩個(gè)iCoupler數(shù)字隔離器應(yīng)用的成功案例。

　　一是，2012年，ADI為西門子航空航天業(yè)務(wù)集團(tuán)的PowerSCOE系統(tǒng)提供了其高度集成的iCoupler數(shù)字隔離解決方案。作為一個(gè)先進(jìn)的衛(wèi)星電源保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)異常時(shí)，它能在幾微秒內(nèi)關(guān)閉衛(wèi)星中的數(shù)千瓦電源。西門子航空航天業(yè)務(wù)集團(tuán)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)還考慮到其它技術(shù)，如智能電網(wǎng)電力監(jiān)控等，但由于每個(gè)通道都包含輔助模擬輸入及數(shù)字和模擬輸出，因此最大的挑戰(zhàn)是要確保100個(gè)通道彼此隔離。PCB上有100多路模擬和數(shù)字I/O。面對(duì)如此高的PC B密度，傳統(tǒng)的光耦合器和DC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案已無能為力。最終ADI高度集成的iCoupler數(shù)字隔離器卓越的性能表現(xiàn)獲得了西門子的信賴，也再次驗(yàn)證了iCoupler技術(shù)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

　　二是，客戶利用ADI的iCoupler和isoPOWER技術(shù)帶有集成隔離電源的數(shù)字隔離器，設(shè)計(jì)了非常小型化USB接口的工業(yè)級(jí)別的傳感器系列。這也得益于ADI的iCou