利用數(shù)字隔離器優(yōu)化隔離系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　由于磁性數(shù)字隔離器大部分功率消耗于從一個(gè)狀態(tài)切換至另一狀態(tài)時(shí)，故功耗與工作頻率呈比例關(guān)系。因此，處于空閑狀態(tài)或者開關(guān)速度極低的通道功耗非常小。一旦已確定應(yīng)用的最大串行時(shí)鐘速率，即可設(shè)計(jì)電源來提供支持該速率的充足電流。在利用光耦合器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須確保LED處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)電路始終處于空閑狀態(tài)，以將功耗降至最低。

　　光耦合器技術(shù)進(jìn)入市場已超過30年；一些工程師對轉(zhuǎn)向新的隔離器技術(shù)保持謹(jǐn)慎。大多數(shù)制造商都要將產(chǎn)品提交監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)，并清楚展示其隔離器通過了哪些標(biāo)準(zhǔn)。諸如ADI公司數(shù)字隔離器的器件均以聚酰亞胺為絕緣體，這種材料也用于許多光耦合器之中。在某些情況下，它們是按照與光耦合器相同的安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，而在其他情況下（如VDE V 0884-10），則專門針對數(shù)字隔離器制定了具體標(biāo)準(zhǔn)。例如，表1展示了ADuM140x系列隔離器的機(jī)構(gòu)認(rèn)證。

　　其他問題涉及數(shù)字隔離器承受過壓浪涌的能力，以及它們對共模電壓和磁場干擾形式的瞬變的抗干擾能力。幸運(yùn)的是，借助聚酰亞胺絕緣材料，ADI公司的數(shù)字隔離器可以承受最高6 kV的浪涌達(dá)10秒。由于隔離柵上只有極低的寄生電容，因此，磁性隔離器相對于其他技術(shù)還具有極佳的共模瞬變抗擾度（CMTI）。例如，典型高速光耦合器的CMTI規(guī)格為1至10 kV/μs，而磁性數(shù)字隔離器可抑制35 kV/μs以上的共模瞬變。

　　乍一看，對磁場干擾的擔(dān)心似乎非常合理，因?yàn)椴捎梦⒆儔浩鞯母綦x器利用磁場來橫跨隔離柵發(fā)射脈沖。有人可能認(rèn)為，足夠強(qiáng)的磁場可能會干擾脈沖，從而導(dǎo)致輸出錯(cuò)誤。然而，由于變壓器及其空芯的半徑非常小，因此只有非常大的磁場或極高的頻率才能產(chǎn)生故障。圖2所示的最大容許電流和頻率仍可以保證AD344x隔離器的輸出無故障。例如，只有超過500 A（1 MHz，距離器件 5 mm）的電流才可能觸發(fā)故障輸出。理論上，產(chǎn)生錯(cuò)誤輸出所需要的幅度和頻率組合遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了絕大多數(shù)應(yīng)用的范圍。

　　圖2.ADuM344x可保證無錯(cuò)運(yùn)行的最大容許電流和頻率

　　高速運(yùn)行

　　當(dāng)隔離測量系統(tǒng)使用高采樣速率時(shí)，用光耦合器隔離串行總線可能是比較困難的任務(wù)。接收器光電二極管的寄生電容限制了光耦合器傳輸數(shù)字信號的速度。您可以通過增加來自LED的光量來提高該寄生電容的充電速度，但這樣做會增加功耗。另外，很少有光耦合器在每個(gè)封裝內(nèi)只沿同一方向提供兩個(gè)以上的通道，而且通常不包括與通道間匹配相關(guān)的時(shí)序規(guī)格。雖然假定同一封裝中的光耦合器之間具有良好匹配合乎邏輯，但缺少印制的規(guī)格意味著您必須做出工程設(shè)計(jì)假設(shè)。與依賴非印制規(guī)格的情況相同，大多數(shù)謹(jǐn)慎的工程師會選擇留出充足的設(shè)計(jì)裕量，工作性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于采用單個(gè)光耦合器時(shí)數(shù)據(jù)手冊指示的性能。

　　使用數(shù)字隔離器的另一優(yōu)勢是，產(chǎn)品可采用4通道器件形式，保證速度最高可達(dá)150 Mbps。另外，所有數(shù)字隔離器制造商都在數(shù)據(jù)手冊的時(shí)序部分提供了保證通道間匹配規(guī)格。例如，ADI公司的ADuM344x隔離器在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的保證通道間傳播延遲失配小于2 ns。實(shí)際使用中，這意味著可以在數(shù)據(jù)手冊列出的速度下使用數(shù)字隔離器，而無需針對較大或未知的器件間或通道間偏斜來下調(diào)系統(tǒng)性能。

　　圖3.可以用單個(gè)ADM2682E實(shí)現(xiàn)全雙工、隔離式RS-485接口

　　集成

　　由于數(shù)字隔離器技術(shù)兼容標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，因此，集成額外的功能以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對較容易。例如，傳統(tǒng)的熱電偶測量器件可能用多個(gè)光耦合器來實(shí)現(xiàn)低速SPI接口，并用具有驅(qū)動器和調(diào)節(jié)器的隔離變壓器來為隔離前端供電。利用集成隔離電源的數(shù)字隔離器（如 ADuM5401），整個(gè)隔離系統(tǒng)成為帶四個(gè)數(shù)據(jù)通道和隔離電源的單個(gè)集成電路。與使用分立隔離器和隔離電源相比，這種方式提高了可靠性，節(jié)省了大量電路板空間，降低了成本。