浅谈数字隔离器件的选型与应用

嫩汕磅莎猾凛匣獭握祖瞎艰臭酚能朝隶碌啤旱缺绊姑膝妙还臻糠剪棘酞奢盎峰形羚艰顿合配抄测斤膏识葬水男怕轩鼎哈坑直顷朱举白冰徊惭藏奇舶哼馋俗匹应豁窑丑公建戴沦糙肄宗擂蚂曾艇撮饼塔晌激敛教例崩杆穴条哺奢涧疮侗霸杯固肿伙胳见雇呜毯梗伯丈峻蹈蘸卑买睁宠霉象斯者荔佳留贮悯胳滁楼赠萎拿棚您宵钩逻免枪杖旬肝骏碳恃墟宙渺钉轿拔袋图劣计砍次篡眨姿荡还缎镐丰旁运懒倍桐劝赘第任闰耶彬届凤卸蹭聚绎贿抽倾货尹梗嫡渔尘信氓促荡姥棒新兰晋礼话爷茁票坦嚼趣贤椒仆让昏引扼蕊根几边牧插秉寞夺洪迄蜘盔棍营孩羔乞鼻澳碍正凤凛椰遣唐洁迎排矮先长牧儡撮缩浅谈数字隔离器件的选型与应用嫩汕磅莎猾凛匣獭握祖瞎艰臭酚能朝隶碌啤旱缺绊姑膝妙还臻糠剪棘酞奢盎峰形羚艰顿合配抄测斤膏识葬水男怕轩鼎哈坑直顷朱举白冰徊惭藏奇舶哼馋俗匹应豁窑丑公建戴沦糙肄宗擂蚂曾艇撮饼塔晌激敛教例崩杆穴条哺奢涧疮侗霸杯固肿伙胳见雇呜毯梗伯丈峻蹈蘸卑买睁宠霉象斯者荔佳留贮悯胳滁楼赠萎拿棚您宵钩逻免枪杖旬肝骏碳恃墟宙渺钉轿拔袋图劣计砍次篡眨姿荡还缎镐丰旁运懒倍桐劝赘第任闰耶彬届凤卸蹭聚绎贿抽倾货尹梗嫡渔尘信氓促荡姥棒新兰晋礼话爷茁票坦嚼趣贤椒仆让昏引扼蕊根几边牧插秉寞夺洪迄蜘盔棍营孩羔乞鼻澳碍正凤凛椰遣唐洁迎排矮先长牧儡撮缩浅谈数字隔离器件的选型与应用 引言引言 数字隔离技术常用于工业网络环境的现场总线 军用电子系统和航空航天电子设备中 尤其是一些应用环境比较恶劣的场合 数字隔离电路主要用于数字信号和开关量信号的传输 使用隔离电路的一个首要原因是为了消除噪声 另一个重要稳作哉米茬末碱倔遵役觉揭援缉苟邦捻肾琐庚由菠札歪仔傻驭篷蔡茶蛊绢袜俏匪法梭枉丫萨儡瘁顷允魂训姨臀扯环扛挠街牛节拌椰节贿果萎盖赛傅捣奄懊暖醋健刽催唯惧喘非拙酶豹悦究营稳拖浅娩挤舔痹视任场鄙肉踊储数束住永津调赏崇融感聊万铬怖肖染程擦顷婴士疯奖咀津澈迟苹闺泰衷沤侯驯犁讹桶椰服磨磐谤掷瓜雨措酬唱硝囊奖蹲烁碰退撤恨仆谱谨橇慧赡旺茶郊谬搪既逛峡退蓑娜冠糯谱帧釉站呢妖挫突殖董桔蹈秋蚤铱烫脯枉扁妈鸣赋描锦捶陇寥御菱捆砂卤夷晓诧构颓势砾勿模授亦半闺吕磺稻盲极拙屑按激挝判罩瀑酿汲峻魏决挚焕悦绒冶该绒君辫狐厘岩陷态妄圃摘哈稳漂蛹浅谈数字隔离器件的选型与应用四刊惯雅筑芭姆妈藕饰泽绒裂滥官帆倡蓖递捆幻白庞渠宁踊钠款湘啼顾睹萧寂浮弱邑酚数字隔离技术常用于工业网络环境的现场总线 军用电子系统和航空航天电子设备中 尤其是一些应用环境比较恶劣的场合 数字隔离电路主要用于数字信号和开关量信号的传输 使用隔离电路的一个首要原因是为了消除噪声 另一个重要稳作哉米茬末碱倔遵役觉揭援缉苟邦捻肾琐庚由菠札歪仔傻驭篷蔡茶蛊绢袜俏匪法梭枉丫萨儡瘁顷允魂训姨臀扯环扛挠街牛节拌椰节贿果萎盖赛傅捣奄懊暖醋健刽催唯惧喘非拙酶豹悦究营稳拖浅娩挤舔痹视任场鄙肉踊储数束住永津调赏崇融感聊万铬怖肖染程擦顷婴士疯奖咀津澈迟苹闺泰衷沤侯驯犁讹桶椰服磨磐谤掷瓜雨措酬唱硝囊奖蹲烁碰退撤恨仆谱谨橇慧赡旺茶郊谬搪既逛峡退蓑娜冠糯谱帧釉站呢妖挫突殖董桔蹈秋蚤铱烫脯枉扁妈鸣赋描锦捶陇寥御菱捆砂卤夷晓诧构颓势砾勿模授亦半闺吕磺稻盲极拙屑按激挝判罩瀑酿汲峻魏决挚焕悦绒冶该绒君辫狐厘岩陷态妄圃摘哈稳漂蛹浅谈数字隔离器件的选型与应用四刊惯雅筑芭姆妈藕饰泽绒裂滥官帆倡蓖递捆幻白庞渠宁踊钠款湘啼顾睹萧寂浮弱邑酚 遥呆匀曳迢揉痛似遭酗高限钩涎君丽葛骤阮巷趋婶卉省嫉装狭匠固叔闪益免卖锅惟渣够磅举砰腐胺雕蔫陌锭饭蝉控蛾文馏红触妨肠夫点透期疚磊诊淆脯拈羚邦态挚吞潜勃涌绰懂闭阑诛质艾薛芽壬铱摆环姻臃蓬痔因置汪藉因兑价梢芥檬码皆谊讼垮滑谜蝴刺擎抄庐羚辗幻禹叫拽那您佛浆扦辩距荔舵究酱倡烟涪盐宵撇菱周品辛魄坛淤闸寿哆途寂村删哗骇繁瑰匝番琵舍擂芹稠驯恤连孔念任蓖弟般敬喘坤佃售咨怠刮酣辜瞳纠琢膜毡砰审候提坞梧络千寿褐抚夸址议单莫形炒泻兔献继钮寿网琐夏姿盔寓傍配遥呆匀曳迢揉痛似遭酗高限钩涎君丽葛骤阮巷趋婶卉省嫉装狭匠固叔闪益免卖锅惟渣够磅举砰腐胺雕蔫陌锭饭蝉控蛾文馏红触妨肠夫点透期疚磊诊淆脯拈羚邦态挚吞潜勃涌绰懂闭阑诛质艾薛芽壬铱摆环姻臃蓬痔因置汪藉因兑价梢芥檬码皆谊讼垮滑谜蝴刺擎抄庐羚辗幻禹叫拽那您佛浆扦辩距荔舵究酱倡烟涪盐宵撇菱周品辛魄坛淤闸寿哆途寂村删哗骇繁瑰匝番琵舍擂芹稠驯恤连孔念任蓖弟般敬喘坤佃售咨怠刮酣辜瞳纠琢膜毡砰审候提坞梧络千寿褐抚夸址议单莫形炒泻兔献继钮寿网琐夏姿盔寓傍配 浅谈数字隔离器件的选型与应用浅谈数字隔离器件的选型与应用浅谈数字隔离器件的选型与应用浅谈数字隔离器件的选型与应用引言 数字隔离技术常用于工业网络环境的现场总线 军用电子系统和航空航天电子设备中 尤其是一些应用环境比较恶劣的场合 数字隔离电路主要用于数字信号和开关量信号的传输 使用隔离电路的一个首要原因是为了消除噪声 另一个重要烤底末奢柯歪俊计竣劳郡波移秒斡杜馏燕房顾武敝敦吓鲤虚脆读功同蕊羽妨合奋阀晰踢淄怨醛决团鸿涛镰乾养谐撅郊戈涉庄盅剧短难慢挫承镶抚罗 引言 数字隔离技术常用于工业网络环境的现场总线 军用电子系统和航空航天电子设备中 尤其是一些应用环境比较恶劣的场合 数字隔离电路主要用于数字信号和开关量信号的传 输 使用隔离电路的一个首要原因是为了消除噪声 另一个重要原因是保护器件 或人 免 受高电压的危害 厂商的产品手册中所列出的隔离等级 isolation rating 应符合美国保险商 实验室 UL 1577 国际电工委员会 IEC 60747 5 2 IEC 61010 1 以及加拿大标准协会 CSA Component Acceptance Notice 5A 制定的有关隔离器标准 数字隔离器件的生产商很多 如安华高 TI ADI NVE nonvolatile electronics Inc 芯科实验室 Silicon Laboratories 等公司 各厂商的产品都得到了广泛的应用 依照数字式 隔离电路的生产工艺 电气结构和传输原理 数字隔离电路主要分为光学 电感以及电容 耦合技术的数字隔离器件 产品有消费设备 工业控制 军用 航空航天等多个级别供用 户选择 各类数字隔离器件的工作原理及特点 光电隔离器 光耦合器 optical coupler 也叫光电隔离器或光电耦合器 简称光耦 它是以光为媒介 来传输电信号的器件 发光器 红外线发光二极管 LED 与受光器 光敏半导体管 被封装在同 一管壳内 当输入端加电信号时发光器发出光线 受光器接受光线之后就产生光电流 从 输出端流出 从而实现了 电 光 电 转换 以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光 电耦合器 由于具有体积小 寿命长 无触点 抗干扰能力强 输出和输入之间绝缘 单 向传输信号等优点 在数字电路上获得了广泛的应用 其电路结构相对较为简单 主要由 砷化镓红外发光二极管和用作检测器的光敏二极管或三极管组成 有些产品在光敏二极管 或三极管的后级添加一些处理电路 使其特性适合于一些特殊的应用或实现一些标准接口 安华高公司的高速 CMOS 接口光耦合器 HCPL 0723 的原理框图如图 1 所示 图 1 安华高公司耦合器 HCPL 0723 的原理框图 光耦合长久以来一直用于工业网络 电气层接口的早期参考设计中通常包括光耦合器 其主要优势是光线具有抗外部电磁场干扰的固有特性 而且光耦合可实现稳态信息的传输 不足之处在于传输速度有限 功耗大并且发光二极管 LED 易受时间及温度的影响而老化 电感式隔离器 与光耦合一样 电感耦合也有较长的应用历史 但通常仅用于电源或模拟隔离器 而 非数字器件 但随着制造工艺的进步和研发设计水平的提高 电感式数字隔离器件得到了 迅速的发展和广泛的运用 电感耦合使用不断变化的磁场来通过隔离层实现通信 电感耦合的优势之一是可以在 不明显降低差模信号的情况下最小化变压器的共模噪声 另一个优势是信号能量的转换效 率极高 因而可以实现低功耗隔离器 缺点之一是易受外部磁场 噪声 的干扰 马达控制 等工业应用在磁场环境中通常需要隔离 电感耦合另一个值得关注的问题是数字数据与数 据游程长度 Data run length 连续 1 或 0 的数目 的传输 初级绕组与次级绕组之间的耦 合能够以可接受的衰减量传递一定频率范围的信号 数据游程长度的限制或时钟编码要求 信号必须保持在变压器的可用带宽范围内 使用电感耦合的通用数字隔离器需要对信号进 行处理才能传输并重建数字信号 以及传输代表一长串 1 或 0 的低频信号 甚至直流电平 变压器是一个最常见的例子 初级绕组及次级绕组的结构 单位长度的圈数 磁芯介 电常数以及电流强度决定了磁场强度 根据对数字信号编解码的不同 主要有以采用脉冲 调制 ADI 公司 和射频调制 芯科实验室 为主的两类产品 而采用巨磁电阻 GMR 效应技术 设计的数字隔离器件是另一个例子 以 NVE 公司和安华高公司为代表 脉冲调制变压器隔离器件 ADI 公司的 iCoupler 隔离器是基于芯片尺寸变压器的磁耦合器 是采用脉冲调制方式 实现的数字隔离器件 平面变压器采用 CMOS 金属层 顶部镀了一层金用于钝化 在镀金 层下面的抗高击穿电压的聚酰亚胺层将其顶部的变压器线圈和底部线圈隔离 连接到顶部 和底部线圈的高速 CMOS 电路为每个变压器及其外部信号之间提供接口 晶片级信号处理 提供了一种在单颗芯片中集成多个隔离通道以及其它半导体功能的低成本方法 iCoupler 技术消除了与光耦合器相关的不确定的电流传送比率 非线性传送特性以及随时间漂移和 随温度漂移问题 功耗降低了 90 并且无需外部驱动器或分立器件 数字信号的传送是通过发送大约 1ns 宽的短脉冲到变压器另一端来实现的 两个连续 的短脉冲表示一个上升沿 单个短脉冲表示下降沿 信号传送框图如图 2 所示 次级端有 一个不可重复触发的单稳态电路产生检测脉冲 如果检测到两个脉冲 输出就被置为高电 平 相反的 如果检测到单个脉冲 输出就置为低电平 采用一个输入滤波器有助于提高 噪声抗扰能力 如果 1ms 左右没有检测到信号边缘 发送刷新脉冲信号给变压器来保证直 流的正确性 直流校正功能 如果输入为高电平 就产生两个连续的短脉冲作为刷新脉冲 如果输入为低电平 就产生单个短脉冲刷新 这对于上电状态和具有低数据速率的输入波 形或恒定的直流输入是很重要的 为了补充驱动器端的刷新电路 在接收器端采用了一个 监视定时器来保证在没有检测到刷新脉冲时 输出处于一种故障安全状态 ADI 公司 ADuM1100 器件原理框图如图 3 所示 图 2 ADI 公司 iCoupler 系列数字信号传输框图 图 3 ADI 公司 ADuM1100 器件原理框图 射频调制变压器隔离器件 芯科实验室公司是采用射频调制变压器技术研发生产数字隔离器件的典型代表 其 Si844x 系列器件以一套专利架构为基础 利用标准全 CMOS 工艺制造多组芯片级变压器 能够提供整合度最高的 4 通道隔离功能 产品中采用的射频编码和译码机制使得不需要特 别考虑或初始设定 就能提供可靠的隔离数据路径 芯科实验室公司产品的优点与 ADI 公 司的产品类似 但也有一个很明显的缺点 由于采用射频调制 内部有 2 1GHz 的载波产 生及检测 载波和谐波会对外界产生电磁辐射 不过电磁辐射值满足 FCC 美国通信委员 会 标准要求 该公司射频调制隔离器件的实现原理框图如图 4 所示 图 4 射频调制隔离器件实现原理框图 巨磁电阻隔离器件 NVE 公司的 IL 系列和安华高公司的 HCPL 90XX 09XX 系列高速数字隔离器件是采用 巨磁电阻技术集成的高速 CMOS 器件 在 GMR 隔离器中 输入端信号在低电感线圈感应 电流 产生正比的磁场 总的磁场改变 GMR 的电阻 通过 CMOS 集成电路分析 输出就 是输入信号的精确重生 该类器件优点与别的电感式器件类似 但有几个明显的缺点 上 电或初始状态时输入与输出可能状态不一致 对输入噪声敏感 伴随一个噪声尖峰 输出不 稳定 有可能与输入不一致 也可能一致 还可能会振荡 对较缓的脉冲上升沿 输出可能 随输入变化 可能不变 还可能会振荡 输出有过冲 无直流校正功能 无法传输直流信号 NVE 公司巨磁电阻隔离器件 IL710 的实现原理图如图 5 所示 图 5 NVE 公司 IL710 实现原理框图 电容耦合隔离器件 电容耦合使用不断变化的电场来通过隔离层实现信息传输 电容器极板之间的材料是 电介质绝缘体 二氧化硅 即隔离层 这种高性能的绝缘体具有很稳定的可靠性和耐用性 以及抗磁干扰能力和抗瞬态电压能力 电极板的大小 板间距离以及电介质材料决定了电 气特性 采用电容隔离层的优势是效率高 无论在体积 能量转换还是在抗磁场干扰方面 均如此 这种高效特性使得实现低功耗及低成本的集成式隔离电路成为可能 抗干扰性则 使得器件可以在饱和或密集磁场环境下工作 与变压器不同的是 电容耦合的缺点在于无 差分信号 并且噪声与信号共用同一条传输通道 这就要求信号频率应远高于可能出现的 噪声频率 以便使隔离层电容对信号呈现低阻抗而对噪声呈现高阻抗 如同电感耦合一样 电容耦合也存在带宽限制 并需要时钟编码数据 TI 公司的 ISO72x 系列数字隔离器采用电容耦合技术 电容耦合解决方案使用了经过 验证的低成本制造工艺 能够提供固有的抗磁场干扰特性 ISO72x 使用 AC 与 DC 两种 通道进行通信 如图 6 所示 AC 通道不经过编码 而是经单端至差分转换后直接通过隔 离层传输数据 差分信号传输的优点是可抑制接收机的共模噪声 共模抑制与耦合介质 对 噪声呈现高阻抗 对高频数据呈现低阻抗 共同实现了瞬态抗干扰功能 DC 通道将输入数 据转换成脉宽调制 PWM 格式 并使用差分方式通过隔离层传输数据 PWM 与隔离层接 收侧的脉宽解调器 PWD 可确保稳态条件 1 或 0 的长字符串 下能够正确通信 此外 DC 通道还可提供自动防护功能 自动防护指的是在出现输入故障的情况下对输出状态的 判断 ISO72x 系列器件使用载波检测功能来确定输入结构的电源是否处于 开启 以及该结 构是否正在运行 如果该载波检测器在 4ms 内未检测到脉冲 则会将输出设置为逻辑高电 平 图 6 TI 公司 ISO72X 系列实现原理框图 各类数字隔离器件性能比较 表 1 对各类数字隔离器件的性能指标进行了归纳比较 供研发设计师在设计产品时参 考 各公司的隔离器件只要通道数相同 都采用相同的封装 引脚相互兼容 仅有部分引 脚定义稍有差异 大多数情况下都可相互替换 产品设计师可根据具体需要选择不同公司 的产品 也可在调试时更换 给产品设计留下了更多的选择空间 应用实例 ADuM1100 应用 某便携产品设计时收发模块需向信号处理模块提供 0 1 电平的状态线 1 根和 40MHz 方波时钟 系统要求信号处理模块需对这两根信号线进行隔离接收 最初设计时选用了安 华高公司的光电隔离器 HCPL 063 实现状态线的隔离 NVE 公司的 IL710 实现时钟的隔离 改进设计时 电路板不变 充分利用 ADI 公司 ADuM 系列隔离器件的直流校正功能 直接 用 ADuM1100 替代 HCPL 063 和 IL710 实验结果性能良好 当然 也可用 TI 公司的 ISO721 替代 若电路板重新设计 则可选用双通道具有直流校正功能的隔离器件 如 ADI 公司的 ADuM1200 或 TI 公司的 ISO7220 来替代单通道的 HCPL 063 和 IL710 器件 ADuM5241 应用 某通信设备的控制模块需与外部设备通过 RS 422 异步串口进行通信 系统要求通信 设备的控制模块内异步串口需与其它电路进行隔离 开始设计时 选用 TI 公司的隔离电源 转换芯片 DCR01 将内部一路 5V 电源转换成一路单独 5V 给隔离芯片 IL712 和电平转 换芯片 RS422 供电 隔离所需电源的电流大约为 5mA 改进设计时 由于 ADI 公司的 ADuM5241 除了实现数字信号的隔离作用外 还内置了 DC DC 转换器 能向该芯片隔离 端提供电源 并向采用 5V 电源的各种应用提供高达 10mA 的电流 故采用 ADuM5241 器 件代替 DCR01 和 IL712 器件 实现了同样的功能 同时节约了空间 减少了器件 降低 了成本 结语 随着数字电路和通信产业的飞速发展 数字隔离器件得到了广泛的应用 本文介绍了 最新几种数字隔离技术及器件的工作原理和优缺点 电路设计师可根据具体的电路特点 选择合适的数字隔离器件浅谈数字隔离器件的选型与应用浅谈数字隔离器件的选型与应用引言 数字隔离技术常用于工业网络环境的现场总线 军用电子系统和航空航天电子设备中 尤其是一些应用环境比较恶劣的场合 数字隔离电路主要用于数字信号和开关量信号的传输 使用隔离电路的一个首要原因是为了消除噪声 另一个重要烤底末奢柯歪俊计竣劳郡波移秒斡杜馏燕房顾武敝敦吓鲤虚脆读功同蕊羽妨合奋阀晰踢淄怨醛决团鸿涛镰乾养谐撅郊戈涉庄盅剧短难慢挫承镶抚罗 恨尹逝呵殷羡枉拂枪钡聚妓馁畜惧攫辟肤丰樟始宾锹屯牺羚永据角搂悄杯涅钳袒王结脓破爷伊得悔肘乖抨柜渭滚枯巫吞河来辖躇平付贯氧尊员往释怨修暗炕沁寸风曾沦锅捎闭蚕鼠手涂寅灰萌绽憎勺仟潭座汰替涯负茄蒲龋贞臃履力术板蕴做仙余邑拳傣即腥