利用數字隔離器簡化設計并確 保系統(tǒng)可靠性

工業(yè)環(huán)境中使用的測量器件往往需要進行隔離以確保用戶和系統(tǒng)安全，同時也是為了保證在高共模電壓下獲得準確的測量結果。數字隔離器為光耦合器一類的較老技術提供了一種靠、易用的替代方案。利用數字隔離器，工程師們可以優(yōu)化隔離系統(tǒng)設計，以降低功耗、保證系統(tǒng)性能，同時無需借助額外的設計裕量來補償缺失或不完整的器件規(guī)格。

簡介

設計隔離測量儀器頗具挑戰(zhàn)性，有時甚至會令人沮喪不已。隔離前端可以保護用戶免受測量系統(tǒng)中可能存在的致命電壓的傷害，同時允許工程師在高共模電壓下進行精確的測量。圖1所示為此類測量的一個典型示例。在高壓燃料電池或電池組中，了解單個電池的電壓有助于確保系統(tǒng)的安全運行，同時可以最大限度地延長電池壽命。在確定單個電池的電壓時，我們必須在高達數百伏特的共模電壓下進行測量。在用熱電偶測量載流導體的溫度時，會出現(xiàn)類似的情況。在本例中，系統(tǒng)必須具備測量毫伏級信號分辨率的能力，同時抑制高電平的60 Hz共模噪聲，并保護操作員不受任何危險電壓的傷害。

最初人們用隔離放大器來解決這個問題，但隨著測量帶寬和分辨率的增長，這種解決方案已經過時?，F(xiàn)在，執(zhí)行此類測量的最精確、最經濟、最高效技術是隔離整個測量前端(包括模數轉換器(ADC))，并對系統(tǒng)其余部分實施隔離串行鏈路，如圖1所示。該鏈路可以是一個局部總線(如SPI)，也可以是工業(yè)協(xié)議(如RS-485)，用以將測量數據長距離傳輸至控制器單元。

可靠性設計

直到大約10年前，光耦合器仍然是隔離數字信號的少數可行解決方案之一。然而，如果問一問不得不用光耦合器進行設計的工程師，您就會了解到，用光耦合器開發(fā)高效、可靠的系統(tǒng)是多么的困難，尤其是需要將成本降至最低時。光耦合器使用LED來產生跨越隔離柵的光，以接通和關閉光電晶體管。在用光耦合器進行設計時，必須保證LED能產生足夠的光來接通接收光電晶體管，同時，輸出上升和下降時間也要足夠快，以支持目標頻率下的操作。光耦合器最重要的一個規(guī)格是電流傳輸比(CTR)。CTR是光電晶體管上出現(xiàn)的集電極電流與通過LED的電流的比值。

光耦合器CTR不但擁有極寬的容差，而且性能會隨著時間和溫度而下降。為了確保光耦合器能在高溫下使用數年之后繼續(xù)工作，工程師必須假設最差情況下的CTR，這本身就極具挑戰(zhàn)性，因為光耦合器數據手冊只列出了室溫下的CTR規(guī)格。例如，典型光耦合器的規(guī)格表列出了25°C下50%–600%的保證CTR。另外，大多數數據手冊都包含典型圖表，顯示80°C時的CTR僅為20°C時的CTR的大約50%。事實上，沒有數據手冊會列出85°C時的最小CRT，因此，您必須對該值做出假設。另外，有些研究對CTR隨時間發(fā)生的下降進行了模擬，但該規(guī)格同樣未列于數據手冊中，因此，您必須決定增加多少額外的設計裕量，以保證最終產品能在預期壽命范圍內可靠地運行。設計一個魯棒的隔離器電路意味著，您必須
做出許多工程設計假設，需要在增加的功耗和降低的工作速度之間取舍，留出足夠的裕量以便產品在整個壽命期間可靠運行。

數字隔離器使用非光學方式來橫跨隔離柵發(fā)送數據。例如，ADI公司的隔離器采用微變壓器技術來橫跨隔離柵發(fā)送脈沖，不存在與光耦合器相關聯(lián)的時間和溫度下降效應。這樣，可以針對器件的整個工作溫度范圍發(fā)布保證最低和最大功耗、傳播延遲和脈沖失真規(guī)格。有了完整的規(guī)格，就不需要在您的工作條件下對光耦合器進行廣泛的特性測試，可以直接使用數據手冊中的數據來計算最差情況下的系統(tǒng)性能。您只用看看數字隔離器的保證傳播延遲、偏斜和功耗，即可利用這些數據來計算頂層系統(tǒng)時序規(guī)格，就像任何標準數字集成電路一樣。也可使用其他非光學技術，例如容性、射頻(RF)和巨磁阻(GMR)耦合。