用數(shù)字隔離技術(shù)取代隔離放大器的應(yīng)用實(shí)例

　　進(jìn)行隔離是防止電流在兩個(gè)通訊點(diǎn)之間流動(dòng)的一種方法。一般在兩種情況下采用隔離：第一種情況是，在有可能存在損壞設(shè)備或危害人員的潛在的電流浪涌時(shí)。第二種情況是必須避免存在不同地電位和分裂的接地回路的互連。兩種情形都是采用隔離來避免電流流過，而允許兩點(diǎn)之間有數(shù)據(jù)或功率傳送。

　　最近在設(shè)計(jì)及機(jī)械設(shè)備的使用方面立法方面都有變化，要求在惡劣環(huán)境下幾乎任何類型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都要有隔離。此外，從傳統(tǒng)的單通道隔離系統(tǒng)到采用多通道隔離的應(yīng)用轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)導(dǎo)致引入了新型隔離策略。這些應(yīng)用涉及高電壓、高速/高精度通信、或者長(zhǎng)距離通信。普通的例子如工業(yè)I/O系統(tǒng)、傳感器接口、電源/調(diào)節(jié)桿，發(fā)動(dòng)機(jī)控制/驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及儀器儀表。

　　本文首先回顧了以前的隔離方法及其要素，然后回顧了數(shù)字隔離器的工作原理及其在多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用。

　　早期的隔離技術(shù)

　　早期的設(shè)計(jì)除使用變壓器之外，還使用各種模擬隔離放大器，將工廠地面的傳感器電路與控制室內(nèi)的信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行隔離。在通道數(shù)量有限及信號(hào)帶寬小的應(yīng)用中，目前仍在采用這些放大器。圖1示意了一種單通道溫度測(cè)量系統(tǒng)中的這類隔離。

　　這些隔離放大器為精密放大器，用來將輸入信號(hào)數(shù)字傳輸穿過微分容性屏障(圖2)。采用數(shù)字調(diào)制后，屏障特性就不會(huì)影響信號(hào)完整性了，結(jié)果可靠性極佳，屏障間的高頻瞬態(tài)免疫性也很優(yōu)秀。

　　如圖2，輸入放大器A1對(duì)輸入電流(VIN/RIN) 和開關(guān)電流源之間的差異進(jìn)行積分。積分器在超過比較器閾值之前向一個(gè)方向斜坡上升。比較器和檢測(cè)放大器AS1驅(qū)使電流源切換，得到的信號(hào)為三角波，占空比是50%。內(nèi)部振蕩器驅(qū)使電流源以高頻率(500 kHz)切換。合成電容驅(qū)動(dòng)是一種補(bǔ)充的占空比調(diào)制方波。

　　同時(shí)，檢測(cè)放大器AS2探測(cè)穿過容性屏障的信號(hào)變化，將一切換電流源驅(qū)動(dòng)入積分器A2。輸出級(jí)根據(jù)流過反饋電阻RF的電流對(duì)占空比調(diào)制電流進(jìn)行平衡，使在VOUT引腳的平均值等于VIN。輸出反饋環(huán)內(nèi)的采樣保持放大器消除不期望而解調(diào)過程固有的電壓紋波。

　　隔離放大器雖然具有高可靠性和高精度，但受限于信號(hào)帶寬50 kHz。其老舊的技術(shù)要求最小?±4 V的電源，不支持目前的3 V及以下的低電壓應(yīng)用。此外，其制造過程涉及輸入和輸出部分單獨(dú)制作，異常電路匹配的激光微調(diào)，以及在兩部分間安裝隔離電容，使這些器件相當(dāng)昂貴。

　　多通道隔離

　　工業(yè)自動(dòng)控制中的許多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用多輸入通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)捕獲多個(gè)模擬輸入的輸入數(shù)據(jù)(被測(cè)物理量)(圖3)。絕大多數(shù)Δ-Σ ADC都具有串行接口來減小封裝尺寸和占板面積。串行接口的復(fù)雜性在于需要的慢速控制信號(hào)數(shù)不同，如片選、功率降低、增益及速度設(shè)定以及多路器尋址。不過，所有串行接口都具有時(shí)鐘信號(hào)和輸出數(shù)據(jù)(轉(zhuǎn)換結(jié)果)高速傳輸線。

　　因?yàn)樾盘?hào)獲取和調(diào)理發(fā)生在ADC內(nèi)部，將傳感器電路與信號(hào)處理電路隔離的最佳位置是在采用數(shù)字隔離器的數(shù)字接口處。如前所述，因?yàn)榻涌趶?fù)雜，隔離器必須能夠傳輸高速ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果，同時(shí)也要能傳輸?shù)退倏刂菩盘?hào)。下一部分論述數(shù)字隔離器內(nèi)部工作，說明這些器件如何進(jìn)行高速及低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹?/P>

　　數(shù)字隔離器

　　圖4的隔離器是基于一種電容性隔離屏障技術(shù)。此器件由兩個(gè)數(shù)據(jù)通道組成：一個(gè)是高頻通道(HF)，帶寬從100 kHz到150 MHz；另一個(gè)是低頻通道(LF)，覆蓋范圍從100 kHz到直流。

　　原則上來說，一個(gè)單端輸入信號(hào)進(jìn)入HF通道之后被輸入端的非門分離為一微分信號(hào)。隨后的電容電阻網(wǎng)絡(luò)將此信號(hào)微分為瞬變信號(hào)，然后再通過兩個(gè)比較器轉(zhuǎn)換成微分脈沖。比較器輸出驅(qū)動(dòng)一個(gè)‘或非’門跳轉(zhuǎn)，其輸出進(jìn)入一輸出多路器。跳轉(zhuǎn)的輸出驅(qū)動(dòng)處的一精密邏輯(DCL)測(cè)量信號(hào)瞬變之間的間隔。如果兩個(gè)連續(xù)瞬變的間隔超過某一時(shí)間限(如在低頻率信號(hào)時(shí))，DCL驅(qū)使輸出多路器從高頻通道轉(zhuǎn)向低頻通道。

　　因?yàn)榈皖l輸入信號(hào)需要內(nèi)部電容為受限制的大容量值，這些信號(hào)用一內(nèi)部振蕩器的載波頻率進(jìn)行寬調(diào)制，這樣，得到能通過容性屏障的高頻信號(hào)。調(diào)制輸入時(shí)，需要一個(gè)低通濾波器(LPF)將高頻載波從實(shí)際數(shù)據(jù)中除掉，然后再到達(dá)輸出多路器。圖5和圖6給出了高頻通道和低頻通道及相應(yīng)的代表性波形。

　　高頻操作

　　將單端輸入信號(hào)分離成微分信號(hào)分量A和/A。每個(gè)信號(hào)分量然后再微分成瞬變B和/B。跟隨的比較器對(duì)瞬變進(jìn)行比較。只要比較器正輸入的電位高于負(fù)輸入端電位，比較器輸出即為邏輯高，這樣就將輸入瞬變轉(zhuǎn)換成了短輸出脈沖了。

　　輸出脈沖置位及復(fù)位‘或非’門跳轉(zhuǎn)。我們可以從真值表看出，‘或非’門配置有一個(gè)反向跳轉(zhuǎn)，即輸入C的高電平將輸出/D置為高，而/C為高電平則將D置為高。因?yàn)楸容^器輸出脈沖持續(xù)時(shí)間短，就可能出現(xiàn)兩個(gè)輸出都為低的情況。這時(shí)，跳轉(zhuǎn)將其之前的輸出狀態(tài)存儲(chǔ)了下來。由于/D的信號(hào)與輸入信號(hào)在形狀和相位上都相同，/D就成為了高速通道的輸出而與輸出多路器相連。

　　低頻通道工作

　　慢輸入信號(hào)用一高頻載波進(jìn)行脈寬調(diào)制，信號(hào)高則位置A的占空比為90:10，信號(hào)低則在此處的占空比為10:90。此后，信號(hào)處理與高速通道的不對(duì)稱信號(hào)處理相同。唯一不同是，低速通道(/D)的高頻成分用一R-C低通濾波器濾波，然后再進(jìn)入輸出多路器(E)。

　　單個(gè)隔離器能夠傳送寬帶數(shù)據(jù)(從直流直到100 MHz以上)的功能成功完成了概念驗(yàn)證，隔離器制造商從此得到靈感，制造了雙、三和四路的單向和雙向器件。這些器件用于工業(yè)應(yīng)用中最普遍的數(shù)字接口。

　　應(yīng)用實(shí)例

　　隔離工業(yè)接口時(shí)，需要區(qū)分過程控制和工廠自動(dòng)化應(yīng)用。這是因?yàn)閮烧咧g的差別會(huì)影響到數(shù)字接口設(shè)計(jì)的隔離工作。過程控制一般涉及到檢測(cè)某些設(shè)備、系統(tǒng)或過程的不同物理量(如壓力“與”溫度)。每一個(gè)物理量都用一特定類型的傳感器或變換器，其輸出信號(hào)需要特定的信號(hào)調(diào)理。因此，多種不同的傳感器需要不同的參數(shù)設(shè)置，如內(nèi)部增益、采樣率、測(cè)量重復(fù)性、以及阻抗緩沖。支持寬范圍設(shè)置的ADC提供有多個(gè)接口控制線，除標(biāo)準(zhǔn)串行接口線要求隔離之外，所有這些控制線也都要求隔離。

　　圖7中，許多不同靈敏度(mV/K)的傳感器測(cè)量不同的過程參數(shù)，如溫度、壓力和電流。要求有多種增益設(shè)置來使各傳感器的ADC的輸入動(dòng)態(tài)范圍最大化。如果期望一個(gè)或多個(gè)通道輸入變化能比別的通道快，可能就要求采樣率(速度)之間有切換。降低功率功能用來節(jié)省測(cè)量后的功耗，此功能可使控制器執(zhí)行其它系統(tǒng)功能。這種高度多功能性要求許多控制通道用兩個(gè)四路隔離器隔離。

　　與過程控制相比，工廠自動(dòng)化常涉及監(jiān)測(cè)多個(gè)器件和設(shè)備的單個(gè)物理量(如溫度‘或’壓力)。因此，這些系統(tǒng)采用多個(gè)同類型傳感器，靈敏度和響應(yīng)時(shí)間一致。

　　圖8給出了這樣一種使用了四個(gè)同類型熱電耦進(jìn)行不同設(shè)備溫度測(cè)量的電路。此應(yīng)用使用的ADC與圖7電路的相同。不過，因傳感器特性一致，通過連接相關(guān)控制引腳(Gain1、Gain2和Speed)將增益和采樣率設(shè)置值固定到合適的電源軌(VDD或GND)。工廠自動(dòng)化中的許多自激系統(tǒng)連續(xù)測(cè)量其輸入，這樣就需要將/PWDN引腳接到正電源軌上。

　　本系統(tǒng)配置將接口大大簡(jiǎn)化為數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和地址線的隔離。因此，只需要3:1的四路隔離器。

　　在上述例子中，接口隔離出現(xiàn)在ADC和系統(tǒng)控制器之間。這種方法非常適合每個(gè)模塊只需要一個(gè)或最多兩個(gè)ADC進(jìn)行通道計(jì)數(shù)的輸入模塊。如果超過此種情況，而將每個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器隔離就不經(jīng)濟(jì)了。因此，建議使用本地控制器。這時(shí)，每個(gè)ADC都通過一個(gè)GPIO總線接口與本地控制器通信。不過，實(shí)際隔離位于本地到系統(tǒng)的控制器接口。

　　總之，可以肯定地說隔離放大器已經(jīng)過時(shí)了，而數(shù)字隔離器正當(dāng)時(shí)。了解系統(tǒng)要求后再?zèng)Q定采用哪種隔離器以及將隔離器置于系統(tǒng)哪個(gè)位置。