出色模擬工程師必備系列(三):數(shù)字隔離與模擬隔離

　　工業(yè)電路設(shè)計的工程師都要用隔離技術(shù)來解決安全問題、法規(guī)監(jiān)管，以及接地層問題。如果您的電路中做了隔離，就可以在兩個點之間交換信息和功率，而不會有實際的電流流動。隔離有兩大好處。首先，它能防止人員和設(shè)備遭受到有潛在危險的浪涌電流和電壓。其次，它可以防止意外的接地回路，從數(shù)據(jù)鏈路和其它互連對信號造成干擾。根據(jù)幾種常見的隔離技術(shù)做詳細和說明。

　　數(shù)字隔離技術(shù)介紹

　　多年來，工業(yè)、醫(yī)療和其他隔離系統(tǒng)的設(shè)計人員實現(xiàn)安全隔離的手段有限，唯一合理的選擇是光耦合器。如今，數(shù)字隔離器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方面均有優(yōu)勢。了解數(shù)字隔離器三個關(guān)鍵要素的特點及其相互關(guān)系，對于正確選擇數(shù)字隔離器十分重要。這三個要素是：絕緣材料、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法。

　　設(shè)計人員之所以引入隔離，是為了滿足安全法規(guī)或者降低接地環(huán)路的噪聲等。電流隔離確保數(shù)據(jù)傳輸不是通過電氣連接或泄漏路徑，從而避免安全風險。然而，隔離會帶來延遲、功耗、成本和尺寸等方面的限制。數(shù)字隔離器的目標是在盡可能減小不利影響的同時滿足安全要求。

　　傳統(tǒng)隔離器——光耦合器則會帶來非常大的不利影響，功耗極高，而且數(shù)據(jù)速率低于1 Mbps。雖然存在更高效率和更高速度的光耦合器，但其成本也更高。

　　數(shù)字隔離器問世于10多年前，目的是降低光耦合器相關(guān)的不利影響。數(shù)字隔離器采用基于CMOS的電路，能夠顯著節(jié)省成本和功耗，同時大大提高數(shù)據(jù)速率。數(shù)字隔離器由上述要素界定。絕緣材料決定其固有的隔離能力，所選材料必須符合安全標準。結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法的選擇應以克服上述不利影響為目的。所有三個要素必須互相配合以平衡設(shè)計目標，但有一個目標必須不折不扣地實現(xiàn)，那就是符合安全法規(guī)。

　　絕緣材料

　　數(shù)字隔離器采用晶圓CMOS工藝制造，僅限于常用的晶圓材料。非標準材料會使生產(chǎn)復雜化，導致可制造性變差且成本提高。常用的絕緣材料包括聚合物(如聚酰亞胺PI，它可以旋涂成薄膜)和二氧化硅(SiO2)。二者均具有眾所周知的絕緣特性，并且已經(jīng)在標準半導體工藝中使用多年。聚合物是許多光耦合器的基礎(chǔ)，作為高壓絕緣體具有悠久的歷史。

　　安全標準通常規(guī)定1分鐘耐壓額定值(典型值2.5 kV rms至5 kV rms)和工作電壓(典型值125 V rms至400 V rms)。某些標準也會規(guī)定更短的持續(xù)時間、更高的電壓(如10 kV峰值并持續(xù)50 μs)作為增強絕緣認證的一部分要求?；诰酆衔?聚酰亞胺的隔離器可提高最佳的隔離特性，如表1所示。

　　基于聚酰亞胺的數(shù)字隔離器與光耦合器相似，在典型工作電壓時壽命更長?；赟iO2的隔離器對浪涌的防護能力相對較弱，不能用于醫(yī)療和其他應用。

　　各種薄膜的固有應力也不相同。聚酰亞胺薄膜的應力低于SiO2薄膜，可以根據(jù)需要增加厚度。SiO2薄膜的厚度有限，因而隔離能力也會受限;超過15 μm時，應力可能會導致晶圓在加工過程中開裂，或者在使用期間分層?；诰埘啺返臄?shù)字隔離器可以使用厚達26 μm的隔離層。

　　隔離器結(jié)構(gòu)

　　數(shù)字隔離器使用變壓器或電容將數(shù)據(jù)以磁性方式或容性方式耦合到隔離柵的另一端，光耦合器則是使用LED光。

　　變壓采用差分連接，提供高達100 kV/μs的出色共模瞬變抗擾度(光耦合器通常約為15 kV/μs)。磁性耦合對變壓器線圈間距離的依賴性也弱于容性耦合對板間距離的依賴性，因此，變壓變壓器線圈之間的絕緣層可以更厚，從而獲得更高的隔離能力。結(jié)合聚酰亞胺薄膜的低應力特性，使用聚酰亞胺的變壓器比使用SiO2的電容更容易實現(xiàn)高級隔離性能。

　　電容為單端連接，更容易受共模瞬變影響。雖然可以用差分電容對來彌補，但這會增大尺寸并提高成本。

　　電容的優(yōu)勢之一是它使用低電流來產(chǎn)生耦合電場。當數(shù)據(jù)速率較高時(25 Mbps以上)，這一優(yōu)勢就相當明顯。

　　數(shù)據(jù)傳輸方法

　　光耦合器使用LED發(fā)出的光將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁綦x柵的另一端：LED點亮時表示邏輯高電平，熄滅時表示邏輯低電平。當LED點亮時，光耦合器需要消耗電能;對于關(guān)注功耗的應用，光耦合器不是一個好的選擇。多數(shù)光耦合器將輸入端和/或輸出端的信號調(diào)理留給設(shè)計人員實現(xiàn)，而這并不一定是非常簡單的工作。

　　數(shù)字隔離器使用更先進的電路來編碼和解碼數(shù)據(jù)，支持更快的數(shù)據(jù)傳輸速度，能夠處理USB和I2C等復雜的雙向接口。

　　一種方法是將上升沿和下降沿編碼為雙脈沖或單脈沖，以驅(qū)動變壓器(圖2)。這些脈沖在副邊解碼為上升沿或下降沿。這種方法的功耗比光耦合器低10倍到100倍，因為不像光耦合器，電源無需連續(xù)提供給器件。器件中可以包括刷新電路，以便定期更新直流電平。

　　另一種方法是使用RF調(diào)制信號，其使用方式與光耦合器使用光的方式非常相似，邏輯高電平信號將引起連續(xù)RF傳輸。這種方法的功耗高于脈沖方法，因為邏輯高電平信號需要持續(xù)消耗電能。

　　也可以采用差分技術(shù)來提供共模抑制，不過，這些技術(shù)最好配合變壓器等差分元件使用。

　　數(shù)字隔離器的浪涌測試

　　許多應用要求隔離危險電壓，以符合國際安全標準的要求。為了確保設(shè)備和操作人員的安全，這些標準往往要求隔離元件(如數(shù)字隔離器或光耦合器)能承受10 kV(峰值)以上的高壓浪涌。因此，測試隔離器浪涌性能是開發(fā)安全、可靠器件的必要環(huán)節(jié)。

　　國際電工委員會(IEC)和VDE (Verband der Elektrotechnik)兩個組織出版的標準就隔離技術(shù)在醫(yī)療、工業(yè)、消費以及汽車等系統(tǒng)中的系統(tǒng)級和元件級應用進行了規(guī)定。為了確保在出現(xiàn)高壓浪涌時人員和設(shè)備的安全，這些標準根據(jù)具體應用所需要的隔離等級規(guī)定了不同的浪涌額定值。

　　共有三類常見的隔離等級：功能隔離、基本隔離和增強隔離。功能隔離僅有少量安全要求，因為它一般只用于要求隔離接地基準電壓的場合，以保證電路能正常工作。可見，安全性和浪涌性能并不是功能隔離的主要考慮因素。

　　然而，安全性卻是基本隔離和增強隔離的主要考慮因素，因此，浪涌電平是確定隔離質(zhì)量的關(guān)鍵?；靖綦x可以保護終端設(shè)備用戶，使其免受電擊，增強隔離是一種單獨的隔離系統(tǒng)，其提供的保護能力相當于兩個冗余的單個或基本隔離系統(tǒng)。醫(yī)療和工業(yè)應用一般要求增強隔離，以保護病人和終端用戶，使其免受致命性電擊的影響。VDE針對數(shù)字隔離器的增強隔離標準是VDE 0884-10，規(guī)定最小浪涌電壓(VIOSM)額定值為10 kV，同時對工作電壓(VIORM)和耐受電壓(VISO)作出了規(guī)定。

　　數(shù)字隔離器的浪涌電壓額定值規(guī)定的是在經(jīng)受連續(xù)短暫高壓脈沖之后的抗沖擊能力。圖1所示為符合IEC 61000-4-5的浪涌波形的時序特性。

　　圖1. 浪涌電壓波形

　　測試時，把設(shè)備放在一個測試板上，使隔離柵兩端的所有引腳短路(見圖2)。將一個高壓脈沖發(fā)生器通過一個1000Ω/1000 pF網(wǎng)絡連接到隔離柵的一端。發(fā)生器回路連接到隔離柵另一端。將一個100 kΩ、2.5 W的電阻跨接于隔離柵上，以便施加各個脈沖之后使電路放電。用一個帶1000:1高壓探頭的示波器監(jiān)控脈沖。將放電搶設(shè)置為測試計劃規(guī)定的最低電壓，示波器設(shè)為單次觸發(fā)。在該電壓電平下施加10個脈沖，并用示波器對各個脈沖進行監(jiān)控。通過驟降脈沖幅度(在不到50 μs的時間內(nèi)下降到50%)可發(fā)現(xiàn)隔離柵中的缺口。如果部件可以承受10個脈沖，則提高放電搶電壓，再施加10個脈沖。持續(xù)進行，直到隔離柵發(fā)生故障為止，或者直到達到最大測試電壓為止。

　　圖2. 浪涌測試設(shè)置

　　能否通過該測試主要取決于隔離厚度(亦稱為隔離距離，縮寫為DTI)以及隔離材料的質(zhì)量。應用的電場往往在絕緣體內(nèi)部的缺陷點聚集，因此，較低的缺陷密度一般會帶來較高的擊穿額定值。較厚的材料對擊穿的抗擊能力更強，因為場強與絕緣體任一端的導體之間的距離成反比。

　　以上我們解釋了數(shù)字隔離器的隔離要素及數(shù)字隔離器的浪涌測試，下面我們將為大家?guī)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/模擬隔離">模擬隔離的技術(shù)及應用。

　　模擬信號隔離

　　在很多系統(tǒng)中，模擬信號必須隔離。模擬信號所考慮的電路參量完全不同于數(shù)字信號。

　　模擬信號通常先要考慮：精度或線性度、頻率響應、噪聲等。然后是對電源的要求，電源要求高隔離、高精度、低噪聲，特別是對輸入級。也應該關(guān)注隔離放大器的基本精度或線性度不能依靠相應的應用電路來改善，但這些電路可降低噪聲和降低輸入級電源要求。

　　對于電源噪聲的干擾，可以采用調(diào)制載波使模擬信號跨越這個屏障。如ISO4-20的兩線無源信號隔離放大器使模擬隔離簡化。輸入信號被占空度調(diào)制并以數(shù)字方式發(fā)送跨過屏障。輸出部分接收被調(diào)制的信號，把它變換回模擬信號并去掉調(diào)制/解調(diào)過程中固有的紋波成分。

　　對信號隔離的另一問題是隔離放大器輸入級所需的功耗，而隔離放大器的輸入阻抗及自身的等效電阻是問題的關(guān)鍵所在。而輸出級通常以機殼或地為基準，輸入級通常浮動在另一個電位上。因此，輸入級的電源也必須隔離。通常用一個單電源(5V/12V/15V/24V)，而不是理想中使用的正、負雙電源。

　　以下我們舉例來說明模擬隔離技術(shù)

　　模擬輸入/輸出、儀表、運動控制，以及其它傳感器接口通常都采用單通道的隔離信號鏈。這些隔離通道用于將工廠車間惡劣環(huán)境下的傳感器電路與處于無噪聲控制室環(huán)境下的信號處理級分隔開來。

　　根據(jù)隔離要求，可以采用模擬隔離放大器、隔離電源、數(shù)字耦合器，或光耦合器。這些隔離電路的屏障傳導采用了電容、磁或光電技術(shù)。

　　圖3中的單通道隔離溫度測量電路采用了一種電容耦合的模擬隔離放大器。在電路中，一只RTD(電阻溫度探測器)將溫度轉(zhuǎn)換為一個電阻值。一個100-μA電流源將RTD電阻值轉(zhuǎn)換為電壓。INA114儀表放大器對RTD/100-μA電壓做放大，并消除RTD接線電阻RL。儀表放大器的增益與隔離放大器的輸入電壓范圍相匹配。

　　圖3 單通道隔離溫度測量電路采用了一種電容耦合的模擬隔離放大器

　　精密隔離放大器采用占空比調(diào)制法，將儀表放大器的輸出信號通過一個電容隔離屏障做傳送。隔離放大器能夠達到最大1500V的隔離作用。這個隔離器件的輸入信號帶寬大約為50 kHz，最小電源需求為±4V。封裝采用28腳的PDIP或SOIC。

　　另一種設(shè)計方法是使用ADC。ADS1247 ADC有兩個內(nèi)部電流源，一個PGA(可編增益放大器)，以及一個delta-sigma調(diào)制器。電流源將RTD電阻轉(zhuǎn)換為電壓，并消除三個接線電阻的效應。PGA提升RTD輸入信號，而轉(zhuǎn)換器則提供一個數(shù)字輸出信號。

　　圖4 隔離器采用了內(nèi)部電容隔離技術(shù)

　　ISO7241和ISO7221數(shù)字隔離器通過隔離屏障，傳送模數(shù)結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖4中的隔離器采用了內(nèi)部電容隔離技術(shù)，跨越隔離器傳送數(shù)字信號，采用8腳和16腳封裝。

　　很難說哪種隔離策略會適合您的應用。這些模擬或數(shù)字隔離策略均可以應用于電路中任何需要隔離的信號，這類電路會使用多種傳感器來測量溫度、壓力以及電流等。

　　隔離放大器可能是一種適用的方法，因為這樣可以留在模擬域內(nèi)。不過，它們有較高的電源需求。另外也可能青睞于數(shù)字隔離器，因為信號最終還會轉(zhuǎn)換到數(shù)字域。

　　模擬隔離電路圖

　　模擬隔離電路圖

　　CNY44模擬隔離電路圖

　　CNY44模擬隔離電路圖

　　很難說哪種隔離策略會適合您的應用。這些模擬或數(shù)字隔離策略均可以應用于電路中任何需要隔離的信號，這類電路會使用多種傳感器來測量溫度、壓力以及電流等。隔離放大器可能是一種適用的方法，因為這樣可以留在模擬域內(nèi)。不過，它們有較高的電源需求。另外也可能青睞于數(shù)字隔離器，因為信號最終還會轉(zhuǎn)換到數(shù)字域。