PCB信號(hào)隔離技術(shù)

PCB信號(hào)隔離技術(shù)是使數(shù)字或模擬信號(hào)在發(fā)送時(shí)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(zhǔn)電平之差值可以高達(dá)幾千伏，并且防止可能損害信號(hào)的不同地電位之間的環(huán)路電流，主要應(yīng)用在：


（1）系統(tǒng)地的噪聲比較大，容易使信號(hào)受損，隔離可將信號(hào)分離到一個(gè)干凈的信號(hào)子系統(tǒng)地、電源中，保證隔離部分信號(hào)的可靠性，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
（2）系統(tǒng)電壓差非常大。比如在強(qiáng)電電路中，我們通常是通過隔離，將工作電壓轉(zhuǎn)化到IC允許的工作范圍之內(nèi)。
（3）基準(zhǔn)電平之間的電連接可產(chǎn)生一個(gè)對(duì)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(nèi)。
在隔離技術(shù)中，設(shè)計(jì)者根據(jù)被隔離信號(hào)種類的不同和隔離要求，來選擇不同隔離器件是關(guān)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（圖4-18）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(hào)。

（2）模擬變壓器，通過變壓器的電磁感來耦合發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)（圖4-19）。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(hào)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(diào)制載波使模擬信號(hào)跨越這個(gè)屏障。所以想出了用電容器電路來耦合調(diào)制信號(hào)以跨越屏障。作用在隔離屏障上的高轉(zhuǎn)換率瞬態(tài)電壓可作為單電容屏障器件的信號(hào)，開發(fā)出雙電容差分電路以使誤差最小。現(xiàn)在電容屏障技術(shù)已應(yīng)用在數(shù)字和模擬隔離器件中。
一、PCB信號(hào)隔離技術(shù)

1 隔離串行數(shù)據(jù)流
隔離數(shù)字信號(hào)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(jiǎn)單光耦合
器到隔離收發(fā)器IC。主要設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)問題的第一種技術(shù)?，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(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮是LEC光輸出隨時(shí)間減小。所以在早期必須為L(zhǎng)ED提供過量電流，以使隨時(shí)間推移仍能提供足夠的輸出光強(qiáng)。因?yàn)樵诟綦x端可能提供電很有限，所以需要提供過量電流是一個(gè)嚴(yán)重的問題。因?yàn)長(zhǎng)ED需要的驅(qū)動(dòng)電流可以大于從簡(jiǎn)單邏輯輸出級(jí)可獲得的電流，所以往往需要特殊的驅(qū)動(dòng)電路。

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2 隔離并行數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)
并行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)總線的隔離主要有六個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，在串行的隔離的基礎(chǔ)上，將增加三個(gè)更主
要的設(shè)計(jì)參量：
（1）總線的位寬度；
（2）容許的偏移度；
（3）時(shí)鐘速度要求。
用一排光耦合器可完成這種任務(wù)，但支持電路可能很龐雜。光耦合器之間的傳播時(shí)間失配將導(dǎo)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(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：
（1）隔離精度；
（2）線性度；
（3）頻率響應(yīng)；
（4）噪聲考慮；
（5）隔離電源。

對(duì)電源、地要求高，特別是對(duì)輸入級(jí)，要求輸入級(jí)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(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。

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(shè)計(jì)人員有機(jī)會(huì)在跨越隔離屏?xí)r完成多個(gè)任務(wù)。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集器件可包含多路模擬開關(guān)、采樣保持電路、可編程增益儀表放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)或多個(gè)數(shù)字I/O通道。所有這些功能都是過一個(gè)串行數(shù)據(jù)口進(jìn)行控制的。

有很多器件可供設(shè)計(jì)人員選用，并使用在系統(tǒng)中地電位有很大差別的設(shè)計(jì)中。每一種器件都是針對(duì)獨(dú)特系統(tǒng)要求而設(shè)計(jì)的。新器件性能集成的高水平，使得跨越隔離屏障能實(shí)現(xiàn)從前做不到的更復(fù)雜的操作。

二、PCB隔離信號(hào)布局布線
信號(hào)隔離不僅在電氣上作隔離，同時(shí)在PCB板布局布線上也作盡量隔離，主要注意以下幾點(diǎn)：

（1）注意隔離部分電路的布局，盡量布局在電路板的某一個(gè)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(hào)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(hào)，對(duì)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(shí)也要布局分配獨(dú)立的電源、地走線或者網(wǎng)絡(luò)。
（3）隔離器件布局要合理放置，保證隔離部分的獨(dú)立性。
（4）部分隔離電路需要進(jìn)行靜電保護(hù)、高壓保護(hù)、電磁輻射保護(hù)等，注意流出保護(hù)設(shè)備的安裝位置。