如何使用先进的数字隔离器优化隔离和性能
发布时间：2025-2-21 10:52
发布者：eechina
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来源：Digikey 作者：Bill Schweber 电子系统的设计者需要将电源和信号隔离，以满足性能要求，并满足用户和设备安全的法规要求。使用变压器可轻松实现 AC 电源路径的隔离。尽管要求更多的电路，DC 电源轨的隔离最终也依赖于变压器。然而，针对已数字化的模拟信号和数字串行数据流进行隔离会面临不同的挑战和复杂性。 在这种情况下，用于隔离的能量转移技术必须在隔离屏障上保持信号完整性，以维持系统性能。虽然实现隔离的方法有很多，但设计人员必须在更高的数据速率和更具挑战性的环境中确保信号完整性。因此，他们越来越多地转向能够以 150 兆比特每秒 (Mbps) 的速度传输数据的数字隔离器。 本文将简单探讨隔离原因，并强调基于传感器的电路需求。然后，介绍使用 Analog Devices 最先进的数字隔离器进行隔离的各个方面，并展示如何应用这种隔离器。 隔离：原因和位置 传感器电路需要隔离的原因有多种： · 隔离可消除共模电压变化，最大限度地减少某些类型的电磁干扰 (EMI)。通过隔离能防止外部噪声源干扰采集到的信号，从而确保测量结果更纯净、更准确。通过隔离，还可以测量具有高共模电压的小信号。 · 由于电路接地之间存在电位差，接地回路会引入电压差，从而使测量信号失真。隔离可断开接地回路。 · 隔离功能可防止危险的尖峰电压、瞬态电压或浪涌电压波及敏感的测量元件。这可以保护测量电路、用户和任何连接设备。 · 隔离功能支持不同电路功能之间的安全电平转换。隔离屏障一侧的电路可采用传感器电压，而另一侧的电路可采用 3.3 V 或 5 V 逻辑电平信号。 例如，在高压电池组中，通常需要了解单节电池的电压，以确保系统安全运行并尽可能延长电池寿命。尽管在串联的电池组中存在高达数百伏的共模电压，但仍必须测量单节电池的电压。 虽然可以使用模拟电路和隔离放大器克服这一问题，但这种方法无法满足在保持系统精度、线性度和一致性的同时，获得更高带宽、更高分辨率的测量需求。 相反，完成这些测量的最准确、最经济和最高效的技术是隔离整个测量前端，包括模数转换器 (ADC)，然后使用隔离式串行链路将数字化数据传送到系统的其他部分（图 1）。 
图 1：在测量高压电池组中单节电池的电压时，使用隔离前端能够克服共模电压挑战。（图片来源： Analog Devices） 这种方法既能隔离电池组的共模电压，又能在发生故障时防止任何危险的高电压迁移到数据链路侧或用户。 请注意，如需隔离信号，就必须提供隔离电源，因为非隔离电源轨会与信号隔离相抵触和抵消。通过独立的电源隔离电路或使用电池作为独立的隔离电源，即可实现所需的电源隔离。 如何实现隔离 许多参数决定了隔离性能。其中包括隔离屏障失效前可承受的最大电压。相关法规规定了所需的最高电压，通常为数千伏，但具体取决于具体的应用。 有几种不同的技术可用于实现数字信号的隔离。其中包括电容耦合、光耦合（LED 和光电晶体管）、"微"刻度射频传输和磁耦合。 后者是一种可靠的技术，具有许多优点，但历来需要一个相对较大且昂贵的信号转换器。Analog Devices 推出的 iCoupler 技术改变了这种情况。这种方法使用芯片级初级和次级线圈，并通过聚酰亚胺绝缘层形成的隔离屏障将两者隔离（图 2）。高频载波通过隔离屏障向次级线圈传输数据。 
图 2：iCoupler 技术使用高频载波，穿过厚聚酰亚胺绝缘层将数据从初级线圈传输到次级线圈。(图片来源：Analog Devices. ） 在运行过程中，初级变压器通过初级线圈中的脉冲电流产生一个小型局部磁场，从而在次级线圈中产生感应电流。电流脉冲很短，约为 1 纳秒（1 ns），因此平均电流很低，可以确保低功耗。此外，用于脉冲的开/关键控 (OOK) 技术和差分结构实现了极低的传播延迟和高速能力。 iCoupler 使用的聚合物材料具有强大的隔离性能，因为这种材料几乎适用于所有应用。对诸如医疗设备和重型工业设备等最具挑战性的使用案例来说，这种性能最有用。 聚酰亚胺的应力也比二氧化硅 (SiO2) 小（一种备选屏障材料），而且可以根据需要增加厚度。相反，SiO2 的厚度以及隔离能力是有限的；厚度大于 15 微米 (μm) 的应力可能会在加工过程中导致晶片出现裂纹，或在隔离器的使用期限内出现分层。聚酰亚胺数字隔离器使用厚达 26 μm 的隔离层。 Analog Devices 提供各种基于变压器的 iCoupler 数字隔离器。其中包括用于 CAN、RS-485 和 SPI 接口的 ADUM340E0BRWZ -RL、 ADUM341E0BRWZ -RL 和 ADUM342E1WBRWZ 3000 Vrms、150 Mbps 隔离器。 这三种数字隔离器统称为 ADuM34xE 器件，主要区别在于其通道方向性。ADuM340E 有四个正向通道，ADuM341E 有三个正向通道和一个反向通道，ADuM3421 有两个正向通道和两个反向通道（图 3）。 
图 3：ADuM34xE 系列中的三款四通道数字隔离器规格相似，但通道方向不同。（图片来源：Analog Devices） 这三款隔离器都有两种故障安全模式可供选择（图 4）：如果输入端断开或不工作（低故障安全模式），则输出状态设为低电平；如果输入端断开或不工作（高故障安全模式），则输出状态设为高电平。这样，在关键应用中使用时，隔离器就能恢复到已知状态。 
图 4：所示为 ADuM34xE 器件单通道的运行框图，说明了低故障安全（上）和高故障安全（下）选项。(图片来源：模拟器件公司） 请注意，输入端（图 3 中的 VDD1 引脚）和输出端（VDD2）电源之间没有关系。它们可以在规定的工作范围内以任何电压同时工作，并以任何顺序排序。该功能使隔离器能够执行 2.5 V、3.3 V 和 5 V 逻辑等的电压转换。 ADuM34xE 性能特点的细微差别 ADuM34xE 隔离器的高隔离电压、高速度、低功耗和低传播延迟等特性可直接用于设计，而且对于设计人员来讲，其架构还有更多细微的优势。例如，总功耗随运行频率变化，功耗要求与设备运行速度大致成正比。因此，空闲通道或者以极低速度切换的通道的耗电量极低。对比他隔离技术，功耗相对降低了一到两个数量级。 此外，一旦设计人员确定了应用的最大串行时钟速率，就可以选择相关的隔离电源，以提供足够的电流来支持这一速率，从而规定值无需超过隔离器的最大值 鉴于定时和传播延迟在高速串行链路中的重要性，必须注意数字隔离器的性能不会随时间和温度的变化而降低或改变。在信号传输速率较低时，抖动问题不大，因为与周期波相比，抖动误差较小，但在数据传输速率较高时，定时抖动在信号间隔中的占比会很大。选择抖动最小的隔离器可以提高隔离电路的信噪比 (SNR) 和效率。 基于 iCoupler 架构的这些特性，器件规格书规定了在 -40°C 至 +125°C 整个工作温度范围内可保证的最低和最高功耗、传播延迟和脉冲失真规格。对于设计人员来说，使用这些全面的规格，就可以简化与最坏情况下的系统性能有关的计算。 有了数字隔离器与传播延迟（最大 10 ns）（图 5）、偏移和通道间匹配相关的保证数值，就可以像使用其他数字集成电路一样，对顶层系统的定时规格进行建模、评估。 
图 5：iCoupler 技术在整个工作温度范围内实现了低于 10 ns 的超低全特征化传播延迟。（图片来源：Analog Devices） 共模瞬态抗扰度 (CMTI) 是一个鲜为人知且容易被忽视的规格。电动汽车 (EV) 和混动汽车 (HEV) 的充电电路、太阳能发电系统和电机驱动器等高压应用中的持续开关操作会产生如振铃和噪声等共模瞬态。ADuM34xE 器件的隔离技术采用背靠背中心抽头变压器架构，可为隔离屏障两侧的噪声提供低阻抗接地路径。这使它们能够达到 100 千伏每微秒 (kV/µs) 的 CMTI 额定值（最小），大大提高了隔离信号的完整性。 熟悉磁学的设计人员可能会担心，这些隔离器可能会受到磁干扰的影响，进而破坏穿过隔离屏障的传输脉冲，造成误差。这种担心是多余的，因为变压器半径很小，而且是空气芯，这意味着需要非常大的磁场或非常高的频率才能导致故障。数字隔离器不会受到距离设备仅 5 毫米 (mm) 的导线中 1 兆赫兹 (MHz) 时 500 安培 (A) 电流的影响。 评估数字隔离器 虽然这些隔离器的功能简单明了，但在应用时需要注意电路板布局等细节，以确保其高压隔离能力和高速运行性能不受影响。 为帮助设计人员使用和评估该器件，Analog Devices 提供 EVAL-ADUM34XEEBZ iCoupler 数字隔离器接口评估板（图 6）。在这块电路板上有每个隔离器的位置和布局，还有一个空位置。电路板上的每个器件（U1 至 U4）之间都有 V 形凹槽，方便用户将电路板分成若干部分，并在试验板或类似测试夹具上测验特定器件。 
图 6：EVAL-ADuM34XEEBZ 评估板支持所有三个 ADuM34xE 器件，并提供一个开放位置供用户选择引脚兼容的器件。(图片来源：Analog Devices） EVAL-ADuM34XEEBZ 电路板遵循相关的印刷电路板（PC 板）设计规范，包括隔离屏障两侧各一个接地平面。使用该电路板评估 iCoupler 器件时只需一台示波器、一个信号发生器和一个 2.25 V 至 5.5 V 电源。 结语 许多设计都需要隔离以保持信号完整性，确保用户和设备安全，并满足监管要求。基于 Analog Devices iCoupler 磁耦合技术的数字隔离器提供了一种易于使用且可靠的高速解决方案。这类器件的核心规格，包括随时间和温度而发生的最小降额，确保了长期、卓越的性能。 |
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