你应该了解的数字隔离器简化设计并确保系统可靠性

想法简介

工业环境中使用的测量设备通常需要隔离以保证用户和系统安全，并确保在高共模电压下进行精确测量。数字隔离器为光耦合器等旧技术提供了可靠且易于使用的替代方案。利用数字隔离器，工程师可以优化隔离系统设计，从而降低功耗并保证系统性能，而无需过多的设计余量来弥补设备规格缺失或不完整。

简介

设计隔离的测量仪器具有挑战性，有时令人沮丧。隔离的前端可保护用户免受测量系统上存在的潜在致命电压的影响，并允许工程师在高共模电压下进行精确测量。图1显示了这种测量的典型示例。在高压燃料电池或电池组中，了解单个电池电压有助于确保系统安全运行并获得尽可能长的电池寿命。在确定单个电池的电压时，我们必须在高达几百伏的共模电压下测量它。当用热电偶测量载流导体的温度时会发生类似的情况。在此示例中，系统必须测量毫伏信号分辨率，同时抑制高水平的共模60 Hz噪声并保护操作员免受任何危险电压的影响。

隔离放大器是这个问题的初始解决方案，但已经过时，需要更高带宽和更高分辨率的测量。今天，执行这些测量的最准确，最经济，最有效的技术是隔离整个测量前端，包括模数转换器（ADC），并实现与系统其余部分的隔离串行链路，如图1所示。该链路可以是SPI等本地总线，也可以是RS-485等工业协议，可以将测量数据长距离发送到控制器单元。

设计可靠性< / h3>

直到大约十年前，光耦合器是为数不多的隔离数字信号的实用解决方案之一。但是，要求任何必须使用它们进行设计的工程师，您将很快了解开发高效可靠系统的难度，特别是在努力将成本降至最低时。光耦合器使用LED在隔离栅上产生光，以打开和关闭光电晶体管。在使用光耦合器进行设计时，您必须保证LED将产生足够的光以打开接收光电晶体管，并且输出上升和下降时间将足够快以支持在所需频率下的操作。最重要的光耦合器规格之一是当前传输率（CTR）。 CTR是光电晶体管上出现的集电极电流与通过LED的电流之比。

光电耦合器CTR不仅具有非常宽的容差，而且还随着时间和温度而降低。为了保证光耦合器在使用数年后能够继续工作，并且在高温下，工程师必须承担最差的可能性，这本身就具有挑战性，因为光耦合器数据表仅列出了室温下的CTR规格。例如，典型的光耦合器规格表列出了在25°C时保证的50％-600％的CTR。此外，大多数数据表都包含一个典型的图表，显示80°C时的CTR仅为20°C时CTR的50％左右。实际上，没有数据表包含85°C时的最低点击率，因此您必须假设它将是什么。此外，还有一些研究表明CTR随时间退化，但这是您在数据表中找不到的另一个规范，因此您必须决定添加多少额外的设计余量，以便最终产品能够可靠地运行预期寿命。设计一个强大的隔离器电路意味着您必须做出许多工程假设，需要以增加的电流消耗和更慢的工作速度进行权衡，以便在产品的整个使用寿命期间留出足够的可靠运行余量。

Digital隔离器使用非光学方式在隔离栅上发送数据。例如，模拟器件的隔离器使用微变压器技术在隔离栅上发送脉冲，并且不会受到与光耦合器相关的时间和温度降低影响。这使得可以在器件的整个工作温度范围内发布保证的最小和最大功耗，传播延迟和脉冲失真规范。完整的规格无需在您的工作条件下对光耦合器进行广泛的特性测试，有利于使用数据表信息来计算最差情况下的系统性能。您可以简单地看一下数字隔离器的保证传播延迟，偏斜和功率消耗，并使用数据计算您的顶级系统时序规范，如任何标准数字集成电路。其他非光学技术，如电容式，射频（RF）和巨磁阻（GMR）耦合也可用。

由于磁性数字隔离器在从一种状态切换到另一种状态时消耗大部分功率，因此功耗随工作频率而变化。因此，空闲或以非常低的速度切换的通道消耗非常少的功率。一旦确定了应用程序的最大串行时钟速率，您就可以设计一个电源来提供足够的电流来支持该速率。使用光耦合器进行设计时，必须确保电路在LED处于关闭状态时始终处于空闲状态，以最大限度地降低系统功耗。

光耦合器技术已有30多年的历史;一些工程师担心切换到新的隔离器技术。大多数制造商将其产品提交给监管机构批准，并清楚地显示其隔离器已经批准的标准。 ADI公司的数字隔离器等部件使用聚酰亚胺作为绝缘体，这与许多光耦合器使用的材料相同。在某些情况下，它们的测试安全标准与光耦合器相同，而在其他情况下（如VDE V 0884-10），已经为数字隔离器开发了特定的标准。例如，表1显示了ADuM140x系列隔离器的机构认证。

表1. ADI公司ADuM140x系列的监管机构认证数字隔离器。

UL	CSA	VDE	TÜV
根据1577组件识别程序认可	根据CSA组件验收通知＃5A批准	根据DIN V VDE V 0884-10（VDE V 0884-10）认证：2006-12	根据IEC 61010-1：2001（第2版），EN 61010-1：2001（第2版）UL 61010-1：2004 CSA C22.2.61010.1：2005
双/加强绝缘，2500 Vrms隔离电压	每个CSA 60950-1-03和IEC 60950-1的基本绝缘，800 V rms（1131 V峰值）每个CSA 60950-1-03和IEC 60950-1的最大工作电压增强绝缘， 400 V rms（566 V峰值）最大工作电压	增强绝缘，560 V峰值	增强绝缘，400 V rms最大工作电压

其他问题涉及数字隔离器承受过压浪涌的能力，它们对共模电压和磁场中断的瞬态抗扰性。幸运的是，聚酰亚胺绝缘使ADI公司的数字隔离器能够承受高达6 kV的浪涌，最长可达10秒。由于寄生电容较低隔离栅，与其他技术相比，磁隔离器还具有出色的共模瞬变抗扰度（CMTI）。例如，典型的高速光电耦合器具有1-10 kV /μs的CMTI规格，而磁数字隔离器可以拒绝共模超过35 kV /μs的瞬态。

对于磁干扰的关注乍一看似乎是合理的，因为带有微变压器的隔离器使用磁场在隔离栅上传输脉冲。可能会认为足够强的磁场会干扰脉冲，从而导致错误的输出。然而，由于变压器及其空芯的半径非常小，因此需要极大的磁场或非常高的频率来引发故障。图2显示了最大允许电流和频率，仍可确保AD344x隔离器的输出保持无故障。例如，在距设备5毫米的1 MHz处需要超过500安培的电流才可能触发故障输出。理论上产生错误输出所需的幅度和频率组合远远超出绝大多数应用所能达到的范围。

高速运行

当隔离测量系统使用高采样率时，使用光耦合器隔离串行总线可能会成为一项艰巨的任务。接收器光电二极管的寄生电容限制了光耦合器传递数字信号的速度。您可以通过增加来自LED的光量来更快地为寄生电容充电，但这会增加功耗。此外，很少有光耦合器每个封装提供两个以上的通道，只有相同的方向，并且通常不包括与通道到通道匹配相关的时序规范。虽然假设同一封装中光耦合器之间的良好匹配是合乎逻辑的，但没有印刷规格意味着您必须做出工程假设。与依赖未打印规格的情况一样，大多数谨慎的工程师会选择留下足够的设计余量，其性能远低于考虑单个光耦合器时数据表所表明的性能。

使用的另一个优点数字隔离器产品可作为4通道器件提供，保证速度高达150 Mbps。此外，所有数字隔离器制造商都在数据表的时序部分提供有保证的通道通道匹配规范。例如，ADI公司的ADuM344x隔离器在整个工作温度范围内具有小于2 ns的保证通道间传播延迟失配。实际上，这意味着您可以使用数据表中列出的速度使用数字隔离器，而无需为大型或未知的部件到部件或通道到通道的偏斜降低系统的速率。

集成

由于数字隔离器技术与标准CMOS工艺兼容，因此集成其他功能以简化系统设计相对容易。例如，传统的热电偶测量设备可能已经使用多个光耦合器来实现低速SPI接口，以及带有驱动器和调节器的隔离变压器来为隔离的前端供电。通过使用带有集成隔离电源的数字隔离器，例如ADuM5401，整个隔离系统成为具有四个数据通道和隔离电源的单个集成电路。与使用分立隔离器和隔离电源相比，这样可以提高可靠性并节省大量电路板空间，成本更低。

许多仪器包括用于远程监控或控制的隔离RS-485端口。直到几年前，实现这样的隔离端口不仅需要数据线的隔离器，还需要兼容RS-485差分信号和电源的收发器。图3显示了ADM2682E等单个IC如何将所有功能集成到一个封装中。

摘要

由于光耦合器所涉及的技术挑战，设计隔离的测量设备曾经是一项昂贵，具有挑战性且有时令人沮丧的工作。在过去几年中，数字隔离技术的进步使其变得更加简单。它们的低成本，高性能，易用性和集成性可帮助工程师满足其开发计划。此外，监管机构的认证和承受高水平干扰的能力使其成为工业测量系统典型的长产品寿命的理想选择。