集成的信號和電源隔離提供可靠、緊湊的測量和控制

穩(wěn)健而準(zhǔn)確的測量和控制 對工業(yè)儀器儀表和過程很重要 控制。各種工業(yè)傳感器，如 RTD 或 熱電偶通常需要輸入隔離，不僅 防止可能影響測量的接地回路 精度，還可以防止電壓瞬變 對儀器造成永久性損壞。除了一個(gè)小 感興趣的差分信號，這些傳感器可以攜帶 顯著的共模電位，可減少數(shù)據(jù) 采集精度或可能構(gòu)成的大電壓瞬變 安全隱患。同樣，隔離模擬輸出為 需要操作執(zhí)行器，例如液壓執(zhí)行器， 螺線管或電機(jī)啟動器安全準(zhǔn)確地。此外 模擬輸入和輸出與系統(tǒng)接地隔離， 輸入之間和輸出之間也需要隔離 處理各種共模電位 傳感器和執(zhí)行器，并防止它們之間的干擾。 數(shù)字隔離器已成功改善模擬 系統(tǒng)性能并通過更換來減小系統(tǒng)尺寸 體積龐大的傳統(tǒng)模擬隔離器或光耦合器 而且不準(zhǔn)確。高分辨率 ADC 位于 檢測節(jié)點(diǎn)將精確的模擬檢測信號轉(zhuǎn)換為 數(shù)字流通過隔離器傳輸之前的數(shù)字流 系統(tǒng)微控制器使用高度的障礙 集成多通道數(shù)字隔離器。同樣， 來自系統(tǒng)微處理器的數(shù)字命令是 使用數(shù)字信號通過隔離柵傳輸 隔離器，然后轉(zhuǎn)換為精確的模擬電流 或使用高分辨率DAC的電壓控制。數(shù)字化 隔離器消除了信號失真和衰減 來自模擬隔離器或傳統(tǒng)光耦合器，但用于 DAC與控件接口或ADC接口 使用這些傳感器時(shí)，需要一些隔離電源來 操作。而分立式隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器可以是 用于從系統(tǒng)側(cè)提供隔離電源，它們是 體積龐大且難以設(shè)計(jì)，因?yàn)樗鼈冃枰S多分立式 組件。這些分立式DC-DC的輸出 轉(zhuǎn)換器也沒有受到很好的監(jiān)管，它們變成了 在低負(fù)載時(shí)效率非常低 — 典型值為低功耗高電平 分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器或數(shù)字轉(zhuǎn)換器。實(shí)現(xiàn)堅(jiān)固和緊湊 模擬測量和控制系統(tǒng)，小型集成 需要隔離電源和數(shù)字隔離。.iso電源 — i耦合器技術(shù)的延伸，領(lǐng)先 工業(yè)數(shù)字隔離器—提供隔離信號和 采用收縮小外形封裝 （SSOP） 的電源。

.iso電源：信號和電源隔離使用 微變壓器

讓我們仔細(xì)看看一些iso功率器件，看看 它們與傳統(tǒng)DC-DC實(shí)施方案的比較情況。 圖1a顯示了iso功率器件ADuM5010的尺寸比較;集成的DC-DC轉(zhuǎn)換器，提供 至 150 mW 隔離電源，采用 20 引腳 SSOP，DC-DC 模塊，以及基于光耦合器的分立設(shè)計(jì)。這 ADuM5010 僅占用 90 mm2電路板空間包括 四個(gè)表面貼裝陶瓷電容器，而分立式 由總共 16 個(gè)組件組成的設(shè)計(jì)需要 電路板空間 470 mm2，是iso電源器件的五倍以上。DC-DC模塊的尺寸各不相同，但其 對于表面貼裝，厚度通常過高。一 SSOP中的隔離DC-DC可通過兩個(gè)芯片實(shí)現(xiàn) 集成如圖 1b 所示。左骰子有 變壓器開關(guān)電路，而正確的芯片有 整流二極管和反饋控制器。三 變壓器集成在左側(cè)芯片和頂部， 更小的變壓器，提供反饋信號隔離 而底部的兩個(gè)變壓器用于隔離 電力傳輸。另外兩個(gè)模具可以安裝到一個(gè) SSOP 中，以 提供額外的數(shù)字隔離通道，如 圖 1c.ADuM521x iso功率器件是一款雙通道器件 帶150 mW集成DC-DC轉(zhuǎn)換器的隔離器。這 右上方芯片上的兩個(gè)微變壓器提供 兩個(gè)數(shù)字通道的隔離。左上角的兩個(gè)模具 和右上角的芯片有編碼和解碼電路 通過微變壓器傳輸數(shù)字信號。在 為了通過隔離柵傳輸功率，這些 微變壓器在高電平諧振切換 頻率（約 120 MHz），以實(shí)現(xiàn)高效能源 轉(zhuǎn)移;同時(shí)，實(shí)現(xiàn)能源調(diào)節(jié) 通過低頻 PWM 反饋信號 - 大約 500 kHz — 控制高 頻率共振動作保持打開狀態(tài)，如圖2所示。 兩個(gè)交叉耦合的 HVCMOS 開關(guān)與一個(gè) 中心抽頭變壓器提供持續(xù)振蕩， 由反饋PWM信號啟用或停止 通過尾部開關(guān)控制器。

圖1.（a） 各種隔離電源實(shí)現(xiàn)的尺寸比較;（b） ADuM5010的內(nèi)部外觀，這是一款150 mW的全集成DC-DC轉(zhuǎn)換器;（c） ADuM521x的內(nèi)部外觀，ADuM<>x是一款集成DC-DC轉(zhuǎn)換器的雙通道隔離器件。

圖2.使用微變壓器進(jìn)行隔離式電力傳輸?shù)脑韴D。

肖特基二極管在芯片 2 中實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)高效 120 MHz 整流和改進(jìn)的 II 型控制器。 為實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)上電，軟啟動電路在 模具 1.上電時(shí)，軟啟動電路提供PWM 具有緩慢增加占空比的信號以緩慢充電 輸出電壓至預(yù)設(shè)水平，略低于 目標(biāo)輸出電壓。此時(shí)，反饋信號為 啟用，并從 軟啟動輸出。此軟啟動順序可確保最小值 上電時(shí)的輸出過沖，這對系統(tǒng)很重要 可靠性。

為了跨越隔離柵可靠地傳輸數(shù)據(jù)， 使用差分編碼和解碼。領(lǐng)軍人物 邊沿編碼為正極性的短脈沖和 下降沿編碼為相同持續(xù)時(shí)間的短脈沖 但具有負(fù)極性。差分接收器轉(zhuǎn)換 這些不同極性的脈沖進(jìn)入輸出與 正確的邏輯狀態(tài)。確保在 輸入長時(shí)間未改變狀態(tài)，定期刷新 脈沖也通過變壓器傳輸：a 邏輯高電平為正脈沖，邏輯為負(fù)脈沖 低。差分接收器允許共模 在共模瞬態(tài)期間被剔除的拾音器 事件，且共模瞬態(tài)抗擾度大 達(dá)到 50 kV∕μs 以上?？蓪?shí)現(xiàn) 3.75 kV 1 微小的 UL 級隔離，32 μm 厚的聚酰亞胺層夾在初級線圈和次級線圈之間 線圈。圖中顯示了 iso電力變壓器的橫截面 在圖 3 中。

圖3.iso電力變壓器的橫截面。

頂部繞組和底部繞組均為 6 μm 厚金，實(shí)現(xiàn)高效電力傳輸。聚酰亞胺非常 抗高壓瞬變性好，提供超過 10 kV 的浪涌 能力。除了高浪涌能力外，聚酰亞胺還 具有明確的老化行為。失敗的時(shí)間是 在 1.2 kV 至 3 kV 的各種電壓下收集，它是 如圖 4 所示?；谂c典型聚酰亞胺的配合 老化模型，

100時(shí)壽命超過400年 V rms，足以滿足許多工業(yè)應(yīng)用的需求。 除高電壓行為外，EMC要求，例如 輻射發(fā)射是工業(yè)應(yīng)用關(guān)注的問題。 iso電力變壓器僅與 直徑幾百微米，所以輻射發(fā)射 從變壓器是非常有限的。ISO力量 變壓器也采用 S 型配置 如圖 5 所示。在遠(yuǎn)場中，通量來自二分之一 變壓器將抵消另一個(gè)變壓器的磁通量 一半通過設(shè)計(jì)具有相反相位的一半。雖然 變壓器的輻射發(fā)射可以忽略不計(jì)， 在設(shè)計(jì)用于ISO電源產(chǎn)品的PCB時(shí)必須采取預(yù)防措施.除了良好的旁路以控制噪音 零件內(nèi)，PCB的孤島需要小心 設(shè)計(jì)為不形成有效的偶極子天線。中聯(lián) 可以滿足 ISO 電源部件的 A 類或 B 類要求 設(shè)計(jì)電路板。

圖4.isoPower 產(chǎn)品的高電壓壽命。

圖5.異電源變壓器配置。

測量和 控制

為了對電流、電壓、 溫度、壓力、流量或其他參數(shù) 惡劣環(huán)境中的各種工業(yè)應(yīng)用， 隔離對于維護(hù)數(shù)據(jù)完整性和 通過消除接地回路確保設(shè)備和用戶安全 以及用戶或設(shè)備的直接暴露 危險(xiǎn)電壓。除了信號隔離，電源隔離 需要為ADC或DAC建立接口的偏置 帶有各種傳感器或換能器。這是一個(gè)重要的 封裝隔離組件（例如基于隔離組件的組件）的挑戰(zhàn) 在小面積的光耦合器上，考慮到以下事實(shí) 有許多模擬輸入或輸出不僅 需要與背板隔離，但也需要在背板之間隔離 模擬通道。集成信號和電源隔離是 理想的解決方案，為每個(gè)提供緊湊而堅(jiān)固的隔離 的模擬 I/O 端口。

隔離信號和電源的實(shí)現(xiàn)示例 用于工業(yè)儀器儀表或過程控制 設(shè)備如圖6所示。單個(gè) iso電源 元件，如5211通道數(shù)字器件ADuM2 隔離器具有 150 mW 隔離電源，可滿足所有 給定模擬輸入通道的隔離需求。一 隔離數(shù)據(jù)通道用于從 微控制器連接到ADC，另一個(gè)數(shù)據(jù)通道 相反方向發(fā)送從 傳感器返回微控制器。多個(gè)ADuM5211可以 用于需要隔離的多個(gè)傳感器 他們。類似地，單個(gè)iso功率元件，如ADuM5210，一款150 mW的雙通道數(shù)字隔離器 隔離電源，可以處理給定的所有隔離需求 模擬輸出通道。這兩個(gè)數(shù)據(jù)通道用于 發(fā)送時(shí)鐘和數(shù)字命令從 微控制器到DAC來控制執(zhí)行器。倍數(shù) ADuM5210可用于多個(gè)執(zhí)行器或模擬執(zhí)行器 需要它們之間隔離的輸出。紅色的 圖 6 中的水平虛線說明了隔離 各種傳感器和執(zhí)行器之間的屏障以及長 右側(cè)的紅色垂直虛線表示隔離 在系統(tǒng)和模擬 I/O 端口之間。為 多個(gè)過程控制部分之間的通信 設(shè)備，額外的隔離 - 如紅色短線所示 圖 6 中的垂直虛線 — 在 系統(tǒng)控制器和通信總線，如RS-485， RS-232、CAN 等。再次，單個(gè) iso電源 ADM2587等元件，完全集成隔離 RS-485收發(fā)器，具有500 mW隔離電源，可使用 用于為單塊 設(shè)備。ADM2587提供集成 RS-485收發(fā)器和三個(gè)數(shù)字隔離通道， 哪兩個(gè)用于發(fā)送驅(qū)動器和驅(qū)動器啟用從 單片機(jī)到總線，另一用于發(fā)送 從總線接收到控制器的數(shù)據(jù)。正如我們所看到的， 集成信號和電源隔離顯著簡化 測量、控制和通信接口 工業(yè)設(shè)備。

圖6.使用isoPower的完全隔離的工業(yè)測量和控制系統(tǒng)。

對于 電池測量或測試設(shè)備。電壓和 需要監(jiān)測每個(gè)電池單元的電流 持續(xù)保持電池壽命，但整體 串聯(lián)電池組可以是數(shù)百甚至數(shù)千個(gè) 總共伏特。電池監(jiān)視器 IC，以便與 各種電池組位于堆棧的不同位置，需要 與系統(tǒng)控制器隔離，隔離電源 需要允許在發(fā)生以下情況時(shí)正確關(guān)閉系統(tǒng)： 電池故障。

結(jié)論

使用微變壓器的集成信號和電源隔離 采用小型封裝，大大簡化了 工業(yè)測量和過程控制系統(tǒng) 與 那些基于光耦合器和分立變壓器的。它 提供可靠和準(zhǔn)確的測量和控制 惡劣的工業(yè)環(huán)境。

審核編輯：郭婷