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工程师之数位隔离指南
[作者 Mouser]   2020年05月12日 星期二 浏览人次: [5019]

「隔离」是当下许多电子产品设计固有部分。在工业领域中,控制机柜功能之间彼此的互连,驱动器到马达,以及到有线网路互连都是需要隔离的应用示例。本文说明数位隔离器IC是一种可行、体积紧凑且功耗较低方法,能够在多种杂讯环境中提供数位讯号的电气和实体隔离。


隔离技术概论

隔离涉及电路各个部分之间讯号的电气和实体隔离。一个典型隔离实例是将类比感测器的输出讯号电隔离,之後??入ADC,另一个示例是将线路供电AC-DC电源输出与患者相连的血压计进行隔离。在这两种状况下,电气隔离都消除了在电源处发生高压瞬态尖峰可能性,从而不会损坏所连接电路。


对於高压电源,这还提供了一个电气隔离屏障,有助於符合旨在保护用户免受电击的国际公认安全标准。电气隔离另一个好处是,可以消除接地渗漏电流,并断开电路或设备两个不同部分之间接地环路。


隔离是当下许多电子产品设计固有部分。对於在如工业自动化设备控制系统等电气杂讯环境下运作的应用尤其如此,其中感测器输入需要连接到容易被高压瞬态损坏的积体电路。在工业领域中,控制机柜功能之间彼此的互连,驱动器到马达,以及到有线网路互连都是需要隔离的应用示例。


总体来讲,主要隔离要求是从输入到输出。但是,在有多个相关讯号需要隔离的地方,所有讯号或通道之间都需要隔离。请注意,要实现真正电气隔离,需要输入和输出具有独立,且彼此未连接之接地路径。


隔离可以在类比域或数位域中进行。类比隔离放大器是实现隔离的一种常用方法,例如它可用在类比温度感测器和相关ADC之间。在这种状况下,隔离放大器本身成为隔离元件或实体隔离。但是,为了减轻电磁感应杂讯影响,越来越多工程师倾向於在感测後尽快将类比讯号移入数位域。实际上,许多用於感测环境因素的类比感测器元件现在都把高精度ADC和低功耗微控制器整合在单个紧凑型封装中。


有几种不同方法可以实现电气和实体隔离。电容式隔离涉及要让电荷穿过隔离障壁,而电感技术则使用具有独立绕组变压器作为障壁。这两种方法都适用於相对较高数据速率,然而电感方法易受本地磁场干扰,电容式隔离也可能会受到杂散电场影响。


光耦合器IC是一种流行且有效技术,它在单个封装中整合有一个LED和一个光二极体,其间由气隙分隔。与其他方法相较,LED较高能耗和相对较低开关速度往往会使这种隔离方法受到限制。


数位隔离器IC架构

四通道电流数位隔离器IC的一个示例是超低功耗、基於CMOS的高速Silicon Labs Si864x系列,它们具有高达150Mbps运作速度,依据UL 1577可提供高达5000Vrms隔离长达一分钟,并且可容许2.5至5.5VDC电源,而且透过2.5VDC电源以100Mbps运作时,每个通道功耗仅为3.5mA。


Si864xT型号是Si864x系列的一个变体,可提供高达10kV增强浪涌电压隔离,符合VDE 0884-10规范。Si864x系列还提供符合AEC-Q100要求的汽车级变体,其瞬态抗扰度高达50kV/μs,整个系列中所有IC传播延迟通常小於10ns。在推荐电压范围内操作时,数位隔离器IC使用寿命为60年。



图一 : Silicon Labs Si864x数位隔离器IC的单通道操作简化图表。(source:Silicon Labs)
图一 : Silicon Labs Si864x数位隔离器IC的单通道操作简化图表。(source:Silicon Labs)

Si864x 系列 在每个通道上都使用基於半导体的隔离障壁,调变RF讯号可在该通道上传播(见图1)。「A」发送器通道使用RF振荡器将载波讯号??送到调变器,因此当逻辑「1」存在时,则调变讯号越过障壁到达「B」通道接收器。接收到讯号被解调并发送到输出。这种RF开/关键控隔离技术提供了同类最隹抗杂讯能力,并且不受杂散磁场影响,见图二。



图二 : 从通道A向通道B接收器发送「1」输入讯号。(来源:Silicon Labs)
图二 : 从通道A向通道B接收器发送「1」输入讯号。(来源:Silicon Labs)

除Si864x数位隔离器IC的低传播和高数据速率特性之外,其功耗曲线也非常低。隔离器具有各种紧凑封装尺寸,从SOIC-16宽型到SOIC-16窄型,再到QSOP,适合於在空间受限设计中使用。


Si864x四通道隔离器系列可提供不同接脚输出配置选项,可适应各种不同电路板布局、电源接地和隔离要求,请叁见图三。还可提供具有默认高或低输出元件变体,以实现无故障安全操作。所有输出均为三态,带有一个控制所有输出的单个赋能(enable)接脚。



图三 : Si864x系列数位隔离器接脚配置选项。(来源:Silicon Labs)
图三 : Si864x系列数位隔离器接脚配置选项。(来源:Silicon Labs)

数位隔离器设计原型

将数位隔离器IC整合到设计中的关键在於是否能够快速创建可用原型。Si86xxISO-KIT 可提供理想的评估板,作为Si86xx原型设计基础。该评估板具有六个不同Si86xx系列数位隔离器:Si8600、Si8605、Si8621、Si8655和Si8663,请叁见图四


是用於串列通讯汇流排(例如I2C和SMBus)隔离电路原型的理想之选。Si860x IC提供两个(SDA和SCL)或三个双向1.7MHz I2C通道,Si866x系列能够提供六个单向通道(三个正向/三个反向),Si865x为一个五通道单向元件,而超紧凑型Si862x则可提供单个正向和单个反向通道。



图四 : Silicon Labs Si86xxISO评估板。(来源:Silicon Labs)
图四 : Silicon Labs Si86xxISO评估板。(来源:Silicon Labs)

除使用IC本身进行原型设计外,值得注意的是,对於某些应用,尤其是那些涉及隔离高电平电压(超过30Vrms危险)应用,需要对PCB设计也提出一些建议。Si86xx系列数位隔离器可以承受最大隔离电压取决於具体元件,可分别为2500、3750或5000Vrms,并且最长一分钟。


PCB布局时需要依照漏电距离(creepage)和电气间隙(clearance)来考量最大电压。电气间隙是指电弧能够在空气中传播最短路径,漏电距离则是沿两个导电元件之间表面绝缘的最短路径。只要保持PCB强度,在数位隔离器下方PCB铣入凹槽就可以增大漏电距离。除了使用沟槽增大漏电距离外,保形涂层是另一种可用方法,而使用四层PCB则有助於管理EMI敏感性,并保持阻抗。


结论

数位隔离器IC是一种可行、体积紧凑且功耗较低方法,能够在多种杂讯环境中提供数位讯号的电气和实体隔离。


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