如何利用電容式數(shù)字隔離器進(jìn)行設(shè)計(jì)

目前，有關(guān)電子設(shè)備使用和設(shè)計(jì)的安全規(guī)定層出不窮，使電流隔離器幾乎成為所有數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)中的必需。避免控制系統(tǒng)低壓電路在電場(chǎng)中遭受潛在的傳感器和傳動(dòng)器組件高壓損害的一種方法，就是使用數(shù)字隔離器。

本文的目的在于告訴大家如何簡(jiǎn)化隔離系統(tǒng)設(shè)計(jì)，文章除描述電容式數(shù)字隔離器的基本功能，詳細(xì)介紹如何在信號(hào)通路中安裝隔離器外，還就如成功設(shè)計(jì)電路板提供了一些有價(jià)值的參考意見。

電容式數(shù)字隔離器的基本功能

圖1顯示了一個(gè)電容式數(shù)字隔離器的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖，該隔離器由一個(gè)高速信號(hào)路徑和一個(gè)低速信號(hào)路徑組成。高速路徑(藍(lán)色部分)傳輸100kbps至150Mbps的信號(hào)，而低速路徑(橙色部分)則傳輸100kbps以下信號(hào)至dc。

圖 1 電容式數(shù)字隔離器的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖

藍(lán)色部分所示路徑中處理的高速信號(hào)被電容式隔離勢(shì)壘分為多個(gè)快速瞬變脈沖群。隨后的觸發(fā)器(FF)將這些瞬態(tài)脈沖群轉(zhuǎn)換成波形和相位均與輸入信號(hào)一致的脈沖。內(nèi)部看門狗(WD)檢查高速信號(hào)邊緣的周期性。在低頻輸入信號(hào)情況下，連續(xù)信號(hào)邊緣間的持續(xù)時(shí)間超出了看門狗窗口。這樣便迫使看門狗將輸出開關(guān)位置從高速路徑(位置1)改變?yōu)榈退俾窂?位置2)。

低速路徑比高速路徑多出幾個(gè)功能元件。因?yàn)榈皖l輸入信號(hào)要求隔離勢(shì)壘禁止采用大電容，所以輸入信號(hào)被用于對(duì)內(nèi)部振蕩器(OSC)的載波頻率進(jìn)行脈寬調(diào)制(PWM)。這就構(gòu)成了一個(gè)非常高的頻率，能夠通過該電容勢(shì)壘。由于輸入得到了調(diào)制，因此必須在實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸至輸出端以前使用低通濾波器(LPF)去除其中的高頻載波。

在信號(hào)鏈中的安裝位置

數(shù)字隔離器分為單通道、雙通道、三通道及四通道器件，可以實(shí)現(xiàn)單向和雙向運(yùn)行，它們的共有特性如下：

- 不符合任何特定接口標(biāo)準(zhǔn)；

- 使用3V/5V邏輯開關(guān)技術(shù)

- 專為電隔離數(shù)字、單端(SE)數(shù)據(jù)線而設(shè)計(jì)

雖然最后一點(diǎn)似乎是設(shè)計(jì)上的限制，然而圖2卻顯示了如何對(duì)多種接口進(jìn)行隔離，其中包括低壓 SPI、高壓RS232、差分USB和差分CAN/RS485。

圖 2 數(shù)字隔離器必須安裝在隔離接口的單端部分中

所有接口都有一個(gè)相同點(diǎn)，那就是數(shù)字隔離器必須安裝在隔離接口的單端3V/5V部分。

由于數(shù)字隔離器都具有1到2ns的升降時(shí)間，因此它們?cè)陂L(zhǎng)信號(hào)走線情況下往往易出現(xiàn)信號(hào)反射，其特性阻抗與隔離器輸出的源阻抗不匹配。因此，我們建議在其相應(yīng)數(shù)據(jù)接收裝置和數(shù)據(jù)源(例如：控制器、驅(qū)動(dòng)器、接收器和收發(fā)器等)附近安裝一個(gè)隔離器。在設(shè)計(jì)中如果無法這樣做，那么就必須使用受控的阻抗傳輸線。

PCB 設(shè)計(jì)指南

就數(shù)字電路板而言，要使用標(biāo)準(zhǔn)FR-4環(huán)氧玻璃作為PCB材料，這是由于相比那些廉價(jià)材料，其不但符合UL94-V0要求，而且還擁有更少的高頻介電損耗、更低的吸濕性、更大的強(qiáng)/硬度以及更高的阻燃特性。

要實(shí)現(xiàn)低電磁干擾(EMI)的PCB設(shè)計(jì)，這里推薦一個(gè)最少四層的設(shè)計(jì)實(shí)例(請(qǐng)參見圖3)，其從上到下分別為：高速信號(hào)層、接地層、電源層以及低頻信號(hào)層。

圖 3 推薦的四層板疊層

在頂層布置高速走線為隔離器及其相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器提供了一目了然的連接。高速走線要短，并避免使用過孔，以此保證高速走線電感最低。

緊接著高速信號(hào)層放置一個(gè)平衡板面地線層，以確保接地層和信號(hào)走線之間存在強(qiáng)大的電氣耦合。這樣便建立起傳輸線互聯(lián)的受控阻抗，同時(shí)也極大地減少了EMI。最終，平衡板面地線層為回流提供了一個(gè)非常好的低電感路徑。

將電源層置于接地層下面。這兩個(gè)參考層構(gòu)成了一個(gè)大約為100pF/in2的附加高頻旁路電容器。