利用数字隔离器优化隔离系统设计

内容提要

　　工业环境中使用的测量器件往往需要进行隔离以确保用户和系统安全，同时也是为了保证在高共模电压下获得准确的测量结果。数字隔离器为光耦合器一类的较老技术提供了一种可靠、易用的替代方案。利用数字隔离器，工程师们可以优化隔离系统设计，以降低功耗、保证系统性能，同时无需借助额外的设计裕量来补偿缺失或不完整的器件规格。

　　简介

　　设计隔离测量仪器颇具挑战性，有时甚至会令人沮丧不已。隔离前端可以保护用户免受测量系统中可能存在的致命电压的伤害，同时允许工程师在高共模电压下进行精确的测量。图1所示为此类测量的一个典型示例。在高压燃料电池或电池组中，了解单个电池的电压有助于确保系统的安全运行，同时可以最大限度地延长电池寿命。在确定单个电池的电压时，我们必须在高达数百伏特的共模电压下进行测量。在用热电偶测量载流导体的温度时，会出现类似的情况。在本例中，系统必须具备测量毫伏级信号分辨率的能力，同时抑制高电平的60 Hz共模噪声，并保护操作员不受任何危险电压的伤害。

　　最初人们用隔离放大器来解决这个问题，但随着测量带宽和分辨率的增长，这种解决方案已经过时。现在，执行此类测量的最精确、最经济、最高效技术是隔离整个测量前端（包括模数转换器（ADC）），并对系统其余部分实施隔离串行链路，如图1所示。该链路可以是一个局部总线（如SPI），也可以是工业协议（如RS-485），用以将测量数据长距离传输至控制器单元。

　　图1. 用隔离前端测量高压电池组中单个电池的电压

　　可靠性设计

　　直到大约10年前，光耦合器仍然是隔离数字信号的少数可行解决方案之一。然而，如果问一问不得不用光耦合器进行设计的工程师，您就会了解到，用光耦合器开发高效、可靠的系统是多么的困难，尤其是需要将成本降至最低时。光耦合器使用LED来产生跨越隔离栅的光，以接通和关闭光电晶体管。在用光耦合器进行设计时，必须保证LED能产生足够的光来接通接收光电晶体管，同时，输出上升和下降时间也要足够快，以支持目标频率下的操作。光耦合器最重要的一个规格是电流传输比 （CTR）。CTR是光电晶体管上出现的集电极电流与通过LED的电流的比值。

　　光耦合器 CTR不但拥有极宽的容差，而且性能会随着时间和温度而下降。为了确保光耦合器能在高温下使用数年之后继续工作，工程师必须假设最差情况下的CTR，这本身就极具挑战性，因为光耦合器数据手册只列出了室温下的 CTR规格。例如，典型光耦合器的规格表列出了25°C下50%–600%的保证CTR。另外，大多数数据手册都包含典型图表，显示80°C时的CTR仅为20°C时的 CTR的大约 50%。事实上，没有数据手册会列出 85°C时的最小CRT，因此，您必须对该值做出假设。另外，有些研究对 CTR随时间发生的下降进行了模拟，但该规格同样未列于数据手册中，因此，您必须决定增加多少额外的设计裕量，以保证最终产品能在预期寿命范围内可靠地运行。设计一个鲁棒的隔离器电路意味着，您必须做出许多工程设计假设，需要在增加的功耗和降低的工作速度之间取舍，留出足够的裕量以便产品在整个寿命期间可靠运行。

　　数字隔离器使用非光学方式来横跨隔离栅发送数据。例如，ADI公司的隔离器采用微变压器技术来横跨隔离栅发送脉冲，不存在与光耦合器相关联的时间和温度下降效应。这样，可以针对器件的整个工作温度范围发布保证最低和最大功耗、传播延迟和脉冲失真规格。有了完整的规格，就不需要在您的工作条件下对光耦合器进行广泛的特性测试，可以直接使用数据手册中的数据来计算最差情况下的系统性能。您只用看看数字隔离器的保证传播延迟、偏斜和功耗，即可利用这些数据来计算顶层系统时序规格，就像任何标准数字集成电路一样。也可使用其他非光学技术，例如容性、射频（RF）和巨磁阻 （GMR）耦合。

　　表1.ADI公司ADuM140x系列数字隔离