信號和電源隔離的有效設計技術

介紹

如今，電子產(chǎn)品設計師比以往任何時候都更面臨著一系列共同的目標：實現(xiàn)更高的吞吐量、更高的分辨率、更高效的系統(tǒng)和縮短上市時間。在工業(yè)自動化、醫(yī)療電子或電信系統(tǒng)等領域，通常需要電隔離多個信號，以使子系統(tǒng)能夠共享數(shù)據(jù)或控制信號，而不允許噪聲或高壓干擾系統(tǒng)的完整性和安全。

隔離信號不足以提供真正的噪聲和高壓的真正隔離——電源也需要隔離。設計一個孤立的電源通常需要專門的技能和經(jīng)驗。它需要花費寶貴的時間和多次迭代來完成它。

信號隔離基礎

隔離信號是提供以下設計關鍵功能的必要條件：

電壓隔離提供了一個介電屏障，在需要更高功率水平的系統(tǒng)中，它可以作為一個絕緣體來對抗高電壓。

在不同電壓軌道下運行的電路之間實現(xiàn)無噪聲數(shù)據(jù)傳輸是一個常見的挑戰(zhàn) 。盡管有許多非隔離的電平移位器可用來規(guī)避這個問題，但使用隔離器提供了幾個可靠的優(yōu)點。隔離器是最無噪聲和最健壯的解決方案，它們可以防止寄生路徑可能會無意中打開或關閉設備。

噪音消除：隔離產(chǎn)品將電路的接地電流（返回路徑）限制在屏障的一側，為另一側的敏感測量提供了無噪聲的環(huán)境。

系統(tǒng)注意事項

為了確保實現(xiàn)了真正的隔離，電路設計人員必須消除從一個電路（圖1中的電路A）到另一個需要隔離的電路（圖1中的電路B）的所有可能的耦合路徑。因此，在隔離信號時，隔離電源也同樣重要。對于一個電路設計者來說，隔離信號的挑戰(zhàn)確實是雙重的：提供安全、可靠和準確的信號隔離以及功率隔離。有多種針對信號隔離的解決方案可以滿足設計者的需求——基于數(shù)據(jù)速率能力、抖動限制、噪聲豁免問題、高電壓能力、符合各種隔離組件安全標準等。然而，對于許多只需要一瓦特左右的隔離電力的應用程序，還沒有現(xiàn)成的或容易實現(xiàn)的電力隔離解決方案。

圖1：需要隔離信號和電源

應用程序示例

工廠自動化系統(tǒng)依賴于高效和可靠的實時分布式網(wǎng)絡來監(jiān)控和控制復雜的制造過程。在這些系統(tǒng)中使用的一個典型的和簡化的層次結構如圖6所示。頂部控制室的人機界面連接到中間控制器層 ，最后連接到物理層，傳感器和驅(qū)動器作為電機驅(qū)動單元或由PLC（可編程邏輯控制器）控制的機器的一部分。

圖2：需要隔離的工廠自動化系統(tǒng)的示例

物理層連接工藝模塊中的傳感器和執(zhí)行器，并穿過工廠層或裝置。如圖2所示，基于can的總線與各種電機控制單元通信，而基于rs-485的總線（propic總線）與工廠底層的各種機器通信。這些物理層通常用于工業(yè)自動化，因為它們即使在嘈雜的環(huán)境中也非常健壯，并支持在可能覆蓋數(shù)百平方米的工廠地板上所需的長距離、多點通信。這些總線有多個節(jié)點，它們通過CAN或RS-485收發(fā)器連接到總線。隔離這些接口對于保護高壓、高電磁（EM）噪聲和網(wǎng)絡內(nèi)的大地面電位差至關重要。

圖3顯示了與處理器隔離的RS-485收發(fā)器節(jié)點的詳細圖。隔離的電源方案稱為隔離直流直流轉(zhuǎn)換器塊。開發(fā)人員很少有易于部署的高性能解決方案、孤立的電源解決方案。設計師經(jīng)常需要自己設計從頭開始為隔離器的二次側和隔離側的RS-485收發(fā)器提供隔離電源。

圖3。隔離RS-485收發(fā)器

圖3中的收發(fā)器是一個半雙工設備，其接收和傳輸線路連接在一起。它通過圖3中標記為A和B的差動I/Os與RS-485總線進行通信。收發(fā)器通過其單端數(shù)字I/O標記Rx（接收器）和Tx（****）以及控制****的EN（啟用引腳）信號向處理器提供接口。

該收發(fā)器通常有2到4個數(shù)字信號，需要快速和準確的數(shù)字隔離，并需要0.5W到1W的功率，這必須由一個具有以下特性的專用隔離源提供：

l 緊湊型解決方案：根據(jù)特定的應用，空間可能是溢價的，一般來說，較小的BOM總是更的制造性、可靠性和成本。

l 高效率：重要的是要有一個緊湊的、高效的解決方案，以便使熱量保持在最低限度， 并能保持綠色能源標準。

l 低EMI：對于敏感的測量，保持整個系統(tǒng)噪聲的最低限度是至關重要的。為了微調(diào)****頻譜到一個特定的用例，最好有一個可編程的頻率選項，它允許用戶選擇DC/DC轉(zhuǎn)換器的切換頻率。

l 安全特點：在安全最重要的工業(yè)環(huán)境中，建議設備采用軟啟動選項，以避免涌入電流、電流限制能力和熱檢測，并在熱量過大的情況下自動關閉。

l 多重隔離通道：最后，該解決方案需要支持多個隔離通道，至少具有2.5kVrms的分級隔離能力，以滿足安全標準。即使在高噪聲的環(huán)境中，隔離器也需要具有良好的信號完整性。

工業(yè)隔離的解決方案

市場上只有少數(shù)產(chǎn)品能在緊湊性和發(fā)電能力之間以及最小化排放和最大化效率之間達到正確的平衡。

使用場效應晶體管、控制器、單通道隔離器（或光電通管）進行反饋以及其他支持BOM用于功率隔離的離散解決方案是非常常見的。這樣的解決方案必須從頭開始設計，需要專門的經(jīng)驗和技能，需要多次迭代才能正確。

一些解決方案將數(shù)字隔離和電力變壓器集成在一個集成電路包中。這些空氣芯變壓器的耦合系數(shù)很差，需要在很高的頻率下驅(qū)動以提供等效的功率。這導致EMI的排放量更高，這對許多設計師來說是一個強大的威懾。

此外，這些產(chǎn)品的功率轉(zhuǎn)換器效率通常較低，從10-35%開始。在空間昂貴的應用中，效率是“ 不關心”，高排放不是問題，這些可能會奏效。但通常情況下，這樣的解決方案并不令人信服。

還有其他解決方案集成信號隔離器和直流-直流轉(zhuǎn)換器，并設計與離散變壓器。這種方法優(yōu)化了最高的效率和集成。這些解決方案是一個完整的解決方案，結構緊湊，可以以約78%的效率提供高達2W的功率。

例如，硅實驗室的Si88xx隔離產(chǎn)品將四數(shù)字隔離器與改進的飛回拓撲dc-dc轉(zhuǎn)換器與內(nèi)置的二次傳感反饋控制相結合。Si88xx器件通過采用抖動技術被設計為極低的排放。

其他功能包括軟啟動能力以避免啟動時的涌流、循環(huán)循環(huán)限流、過溫事件的熱檢測和關閉，以及循環(huán)跳過以減少開關損耗，從而在較輕負載時提高效率。

Si88xx隔離器的選項可用于從5V到24 V的各種電壓水平，以及數(shù)字隔離通道的各種組合及其方向性。該解決方案利用硅實驗室專有的信號隔離技術，以其標志性的低EMI配置文件，提供高集成、高效和非常低的EMI。

圖4提供了一個Si88xx隔離器的簡化方框圖。除了四個高速數(shù)字隔離通道外，Si88xx設備還集成了一個直流-直流控制器和內(nèi)部FET開關，可以調(diào)制功率到外部變壓器。輸出端通過外部電阻分配器進行反饋，以提供優(yōu)秀的線路和負載調(diào)節(jié)。

直流-直流轉(zhuǎn)換器采用抖動技術來最小化電磁干擾峰值，并采用零電壓開關（ZVS）方案來最小化調(diào)制變壓器功率時的功率損耗。該設備在輕負載下使用循環(huán)跳過來減少開關損耗和提高效率。多種安全特性包括逐循環(huán)限流、軟啟動以避免涌入電流和熱關閉。該設備還包含了幾個用戶可編程的功能，如軟啟動時間控制，dc-dc轉(zhuǎn)換器的關閉選項和開關頻率控制，以微調(diào)EMI配置文件。

圖4：帶集成直流-直流轉(zhuǎn)換器的高速數(shù)字隔離器

圖5：用于隔離RS-485接口的Si88xx解決方案

總結

優(yōu)雅的解決方案，結合了優(yōu)秀的數(shù)字隔離特性，高功率轉(zhuǎn)換效率和極低的EMI排放，現(xiàn)在可用，使數(shù)字設計師的開發(fā)更容易。這些都是即插即用的解決方案，消除了昂貴的設計時間和迭代，并將猜測完全排除在外，確保了首次成功和最快的上市時間。