PCB电路设计的信号隔离技术解析

信号隔离使数字或模拟信号在发送时不存在穿越发送和接收端之间屏障的电流连接。这允许发送和接收端外的地或基准电平之差值可以高达几千伏，并且防止了可能损害信号的不同地电位之间的环路电流。信号地的噪声可使信号受损。隔离可将信号分离到一个干净的信号子系统地。在另一种应用中，基准电平之间的电连接可产生一个对于操作人员或病人不安全的电流通路。信号的性质可以为电路设计人员指明系统可考虑的那些正确的IC。

第一类隔离器件依赖于无发送器和接收器来跨越隔离屏障。这种器件曾用于数字信号，但线性化问题迫使模拟信号隔离采用变压器，用调制载波使模拟信号跨越这个屏障。变压器怎么说总是难弄的，而且通常不可能制成IC，所以想出了用电容器电路来耦合调制信号以跨越屏障。作用在隔离屏障上的高转换率瞬态电压可做为单电容屏障器件的信号，所以已开发出双电容差分电路以使误差最小。现在电容屏障技术已应用在数字和模拟隔离器件中。

1、隔离串行数据流

隔离数字信号有很大选择范围。假若数据流是位串行的，则选择方案范围从简单光耦合器到隔离收发器IC。主要设计考虑包括：

•所需的数据速率

•系统隔离端的电源要求

•数据通道是否必须为双向

基于LED的光耦合器是用于隔离设计问题的第一种技术。现在有几件基于LED IC可用，其数据速率为10Mbps及以上。一个重要的设计考虑是LED光输出随时间减小。所以在早期必须为LED提供过量电流，以使随时间推移仍能提供足够的输出光强。因为在隔离端可能提供电很有限，所以需要提供过量电流是一个严重的问题。因为LED需要的驱动电流可以大于从简单逻辑输出级可获得的电流，所以往往需要特殊的驱动电路。

对于高速应用和在逻辑信号控制下使数据流反向转送的情况，可用Burr-Brown公司的ISO 150数字耦合器。图1示出ISO150的双向应用电路。通道1控制通道2的传送方向，并配置为从A端传送到B端。加到DIA引脚的信号确定信号的流向。送到B端的高电平把通道2的那一端置为接收模式。而加到通道2A端Mode引脚的低电平则把通道置成发送模式。方向信号的状态在隔离屏障的两边都有。此电路可工作在80MHz的数据率下。

位串行通信的第二种变形是正在发展中的差分总线系统装置。这些系统由RS-422、RS-485和CANbus标准描述。某些系统很幸运地具有公共地，而很多系统具有不同电位的结点。当两结点相隔一定距离时，情况就更是如此。Burr-Brown公司的ISO 422是设计成用于可有这些应用的集成全双工隔离收发器。此收发器可配制为半双工和全双工（见图2）。传输率可达2.5Mbps。此器件甚至还包含了环路（Loop-back）测试功能，所以每个结点都可执行自测试功能。在此模式期间，总线上的数据被忽略。

2、模拟信号隔离

在很多系统中，模拟信号必须隔离。模拟信号所考虑的电路参量完全不同于数字信号。模拟信号通常先要考虑：

•精度或线性度

•频率响应

•噪声考虑

电源要求，特别是对输入级，也应该关注隔离放大器的基本精度或线性度不能依靠相应的应用电路来改善，但这些电路可降低噪声和降低输入级电源要求。

Burr-Brown的ISO124使模拟隔离简化。输入信号被占空度调制并以数字方式发送跨过屏障。输出部分接收被调制的信号，把它变换回模拟电压并去掉调制/解调过程中固有的纹波成分。由于对输入信号的调制与解调，所以应遵循采样数据系统的一些限制。调制器工作在500kHz的基频上，所以高于250kHz Ngquist频率的输入信号在输出中呈现较低的频率分量。

尽管输出级去掉了输出信号中载波频率的大多数，但仍然有一定量的载波信号存在。图4示出了降低系统其余部分中高频噪声污染的组合滤波方法。电源滤波器能显著地降低从电源引脚窜入的噪声。输出滤波器是一个Q为I、3dB频率为50kHz的二极Sallen-key级。这使输出纹波降低5倍。

对隔离电压的另一问题是输入级所需的功率。输出级通常以机壳或地为基准，而输入通常浮动在另一个电位上。因此，输入级的电源也必须隔离。通常用一个单电源，而不是理想中使用的+15V和-15V电源。

图5示出在ISO124输入级的一个单电压电源结合使用1NA2132双差分放大器，可将摆幅提升到输入信号电平的全范围。唯一的要求是输入端电源电压保持大于9V，这是ISO124输入电压所需要的。

INA2132的下半部产生一个VS+电源的一半的输出电压。此电压用作INA2132另一半的REF引脚和ISO124的GND输入是伪地。INA2132的差分输入信号的摆幅可以高于或低于新参考电平。ISO124的输出与输入一样，将是完全双极性的。

3、 隔离并行数据总线系统

并行数字数据总线的隔离将增加三个更主要的设计参量：

•总线的位宽度

•容许的偏移度

•时钟速度要求

用一排光耦合器可完成这种任务，但支持电路可能很庞杂。光耦合器之间的传播时间失配将导致数据偏移，从而引起在接收端的数据误差。为使这种问题减至最小，ISO508隔离数字耦合器（图3）支持在输入和输出端的双缓冲数据缓存。这种配置将以2MBps的速率传输数据。

ISO508有两种工作模式。当CONT引脚被置成低态时，在LE1信号的控制下，数据以同步模式被传送穿越屏障。在LE1高态时，数据从输入引脚传送到输入锁存。当LE1变低态时，数据字节开始传输穿越屏障。在此时间，输入引脚可用于下一代数据字节。在此模式下，可传送的数据率可达2MBps。

当CONT引脚被置成高态时，数据在器件内部20MHz时钟的控制下被跨越屏障发送。数据传输对外部锁存使能信号是异步的。数据以串行形式从输入锁存被选通到输出锁存。在一个字节传输完成后，整个字节移入输出锁存，输出锁存将对已传输的数据字节去偏移。对于完整的8位字节，传播延迟将小于1ms。

4、隔离用的多功能IC

新的多功能数据采集IC使设计人员有机会在跨越隔离屏时完成多个任务。一个完整的数据采集器件可包含多路模拟开关，可编程增益仪表放大器、A/D转换器和一个或多个数字I/O通道。所有这些功能都是通过一个串行数据口进行控制的。Burr-Brown公司的ADS7870就是这样的一种器件。ADS7870与ISO150一起工作得很好，并示于图6。

在此应用中，ADS7870的每个可编程功能都置于主微处理器的控制之下，而该微处理器本身的控制是通过串行通信口写命令到寄存器来实现的。控制特性包括：

•多路器的选择

•4个差分通道或8个单端通道

•可编程仪表放大器的增益设置，1～20

•12位A/D转换的初始化

此器件的4条数字I/O线也是有用的，可被个别地规定为报告数字信号的状态或输出数字信号。这允许隔离某些支持功能，如通过同一ISO150扩展信号多路器的电平或错误标志读出。

结语

有很多器件可供设计人员选用，并使用在系统中地电位有很大差别的设计中。每一种器件都是针对独特系统要求而设计的。新器件性能集成的高水平使得跨越隔离屏障能实现从前做不到的更复杂的操作。