解讀高速數(shù)字電路中電子隔離應(yīng)用技巧

傳統(tǒng)上而言，為滿足特殊需求時(shí)，變壓器、電容器或光電二極管晶體管及分立電路以輸入和輸出信號(hào)為條件。這種方法是有效的，但卻不能將其從一種應(yīng)用轉(zhuǎn)移至另一種應(yīng)用中。盡管這樣可能會(huì)保持模擬隔離器的情況，但市場(chǎng)中已經(jīng)出現(xiàn)了新一代數(shù)字隔離器，其使用創(chuàng)新電路在超過(guò)100Mbps直流電信號(hào)速率的條件下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行隔離。這些通用數(shù)字隔離器均具有其各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。以下幾段內(nèi)容將對(duì)各種不同技術(shù)進(jìn)行介紹，并將具體產(chǎn)品同TI推出的新型ISO72x系列產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比。

3.1 光耦合技術(shù)

光耦合技術(shù)是在透明絕緣隔離層(例如：空氣間隙)上的光傳輸，以達(dá)到隔離目的。圖5顯示了一款數(shù)字隔離器的主要組件。該電流驅(qū)動(dòng)器采用數(shù)字輸入，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管(LED)。輸出緩沖器將光電探測(cè)器的電流輸出轉(zhuǎn)換為一個(gè)數(shù)字輸出。

圖5：基本光耦合機(jī)制。

光耦合技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是，光具有對(duì)外部電子或磁場(chǎng)內(nèi)在的抗擾性，而且，光耦合技術(shù)允許使用恒定信息傳輸。光耦合器的不足之處主要體現(xiàn)在速度限制、功耗以及LED老化上。

一個(gè)光耦合器的最大信號(hào)速率取決于LED能夠開(kāi)啟和關(guān)閉的速度。從當(dāng)前可供使用的產(chǎn)品來(lái)看，最快的光耦合器是HCPL-0723，其可以達(dá)到50Mbps的信號(hào)速率。

從輸入到輸出的電流傳輸比(CTR)是光耦合器的一個(gè)重要特性，LED一般會(huì)要求 10mA的輸入電流，以用于高速數(shù)字傳輸。這種比率對(duì)用于驅(qū)動(dòng)LED的電流和由光電晶體管產(chǎn)生的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。隨著時(shí)間的推移，LED變得更為低效，同時(shí)要求更多的電流來(lái)產(chǎn)生相同等級(jí)的亮度以及相同等級(jí)的光電晶體管輸出電流。在許多數(shù)字隔離器中，內(nèi)部電路控制LED驅(qū)動(dòng)電流，并且用戶無(wú)法對(duì)逐漸下降的 CTR進(jìn)行補(bǔ)償。LED的優(yōu)勢(shì)減弱了，并且隨著時(shí)間的推移隔離器不再像以前那樣有效了。

3.2 電感耦合技術(shù)

電感耦合技術(shù)使用兩個(gè)線圈之間的變化磁場(chǎng)在一個(gè)隔離層上進(jìn)行通信。最常見(jiàn)的例子就是變壓器，其磁場(chǎng)大小取決于主級(jí)和次級(jí)繞組的線圈結(jié)構(gòu)(匝數(shù)/單位長(zhǎng)度)、磁芯的介電常數(shù)，以及電流振幅。圖6顯示了一款具有信號(hào)調(diào)節(jié)電路模塊的變壓器。

圖6：電感隔離。

電感耦合技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，可能存在的共模差異和差分傳輸特性。變壓器的精心設(shè)計(jì)允許噪聲和信號(hào)頻率重疊，但是會(huì)呈現(xiàn)出噪聲高共模阻抗和信號(hào)低差分阻抗。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，信號(hào)能量傳輸可以為近100%的效率，從而使低功耗隔離器成為可能。

電感耦合技術(shù)的主要缺點(diǎn)是對(duì)外部磁場(chǎng)(噪聲)的磁化。工業(yè)應(yīng)用通常要求磁場(chǎng)隔離，例如：馬達(dá)控制。數(shù)字變壓器傳輸中另一個(gè)缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)運(yùn)行長(zhǎng)度。一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換器在某一頻率和振幅范圍內(nèi)傳輸信號(hào)，并且其失真可以接受。需要數(shù)據(jù)運(yùn)行長(zhǎng)度限制或時(shí)鐘編碼來(lái)將該信號(hào)保持在可用變壓器帶寬內(nèi)。采用電感耦合技術(shù)的通用數(shù)字隔離器要求信號(hào)處理隨同傳輸?shù)皖l率信號(hào)(1或0長(zhǎng)字符)的方法共同對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸和重新構(gòu)建。NVE公司/Avago(安華高)公司推出的Isoloop，以及ADI(美國(guó)模擬器件公司)推出的iCoupler均使用了編碼功能，并提供了支持從DC到100Mbps運(yùn)行范圍的數(shù)字隔離解決方案。

ADuM1100是ADI推出的iCoupler技術(shù)的一個(gè)例子。 ADuM1100使用一個(gè)基本的變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)在一個(gè)隔離層上傳輸信息。這種Isoloop技術(shù)(例如：HCPL-0900)使用一個(gè)如圖7所示的電阻器網(wǎng)絡(luò)來(lái)替換次級(jí)線圈。該電阻器由GMR(巨磁電阻)材料組成，這樣當(dāng)磁場(chǎng)發(fā)揮作用時(shí)該電阻會(huì)發(fā)生變化。電路感應(yīng)電阻的變化，并滿足其條件，以用于輸出。這種技術(shù)被首次引入市場(chǎng)時(shí)就切實(shí)地提高了AC性能，超過(guò)了現(xiàn)有光耦合器的性能?，F(xiàn)在，隨著ADI最近推出了更多的數(shù)字隔離器以及TI ISO72x系列器件的推出，這些Isoloop器件的性能已經(jīng)被超越。

圖7：GMR結(jié)構(gòu)圖。

3.3 電容耦合技術(shù)

電容耦合技術(shù)是在隔離層上采用一個(gè)不斷變化的電場(chǎng)傳輸信息。各電容器極板之間的材料是一個(gè)電介質(zhì)隔離器，并形成隔離層。該極板尺寸、極板之間的間隔和電介質(zhì)材料等都決定著電氣性能。

圖8：電容耦合。

使用一個(gè)電容隔離層的好處是，在尺寸大小和能量傳輸方面的高效率，以及對(duì)磁場(chǎng)的抗擾度。前者使低功耗和低成本集成隔離電路成為可能；而后者使在飽和或高密度磁場(chǎng)環(huán)境下運(yùn)行成為可能。

電容耦合技術(shù)的缺點(diǎn)是其沒(méi)有差分信號(hào)和噪聲，并且信號(hào)共用相同的傳輸通道，這一點(diǎn)與變壓器不同。這就要求信號(hào)頻率要大大高于噪聲預(yù)期頻率，這樣隔離層電容就呈現(xiàn)出信號(hào)的低阻抗，以及噪聲的高阻抗。使用了電感耦合以后，電容耦合就不能傳輸穩(wěn)定狀態(tài)信號(hào)，并需要時(shí)鐘編碼數(shù)據(jù)。

3.3.1 TI推出的ISO721

TI推出的ISO72x系列隔離器采用電容耦合技術(shù)。電容耦合解決方案采用業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的、低成本生產(chǎn)制造工藝，并對(duì)磁場(chǎng)具有內(nèi)在的抗擾度。

為了提供恒定信息的傳輸，ISO72x使用一個(gè)高信號(hào)速率和低信號(hào)速率通道來(lái)進(jìn)行通信，如圖9所示。高信號(hào)速率通道未被編碼，并且其在一個(gè)單端到差分轉(zhuǎn)換之后的隔離層上傳輸數(shù)據(jù)。該低信號(hào)速率通道以一種脈寬調(diào)制格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并在隔離層上差分傳輸數(shù)據(jù)，從而確保了恒定狀態(tài)的精確通信(1和0的長(zhǎng)字符)。

單端邏輯信號(hào)在隔離層上的差分傳輸允許使用低電平信號(hào)和小耦合電容。這就呈現(xiàn)出對(duì)共模噪聲的高阻抗，并且，通過(guò)接收機(jī)的共模噪聲抑制，帶來(lái)了優(yōu)異的瞬態(tài)抗擾度，也即信號(hào)電容耦合需要解決的主要問(wèn)題。

圖9：ISO72x與ISO72xM的結(jié)構(gòu)圖。

3.4 隔離性能

三個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證了對(duì)于隔離保護(hù)的必要性，其分別為UL 1577、IEC 60747-5-2和CSA。雖然每一種標(biāo)準(zhǔn)都稍有不同，但是均提供了一個(gè)對(duì)比隔離性能的標(biāo)準(zhǔn)。IEC、UL和CSA的測(cè)試證實(shí)了輸入和輸出之間電介質(zhì)擊穿以外的電壓。運(yùn)用這些標(biāo)準(zhǔn)非常簡(jiǎn)單，因?yàn)闇y(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和隔離方法無(wú)關(guān)。圖10顯示了隔離測(cè)試是如何將隔離器看作是兩端器件的。盡管每種器件的物理結(jié)構(gòu)存在差異，但隔離測(cè)試卻是在電介質(zhì)擊穿電壓上測(cè)定的。

UL 1577、IEC 60747-5-2、IEC 61010-1和CSA測(cè)試了ISO72x系列隔離性能。表1顯示了說(shuō)明該三種隔離技術(shù)的這五個(gè)器件的隔離性能。

所有這三個(gè)測(cè)試，即UL、CSA和IEC，均對(duì)隔離層的質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)試。UL和 CSA測(cè)試均為應(yīng)力測(cè)試，其使用由廠商設(shè)置的規(guī)定時(shí)間對(duì)電介質(zhì)擊穿電壓進(jìn)行測(cè)試。在該測(cè)試期間，電介質(zhì)的擊穿就是出現(xiàn)的一個(gè)故障。IEC測(cè)試使用一種被稱為局部放電的現(xiàn)象來(lái)探測(cè)電介質(zhì)內(nèi)的無(wú)效(void)。一個(gè)大電壓被應(yīng)用于該器件中，其是由廠商定義的工作電壓的一個(gè)函數(shù)，然后被降低至另一個(gè)電壓電平，即 Vm。在該低壓應(yīng)用中，對(duì)被測(cè)試器件進(jìn)行電介質(zhì)內(nèi)的無(wú)效局部放電監(jiān)控。這些無(wú)效會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電介質(zhì)的最終擊穿。