集成信號(hào)和電源隔離提供魯棒且緊湊的測(cè)量與控制

魯棒且精確的測(cè)量與控制對(duì)工業(yè)儀器儀表和過程控制應(yīng)用十分重要。為了防止接地環(huán)路影響測(cè)量精度，以及避免瞬變電壓永久性損壞儀表，諸如RTD或熱電偶之類的各種工業(yè)傳感器一般都需要輸入隔離。除了很小的目標(biāo)差分信號(hào)以外，這些傳感器還可能承載顯著的共模電位或較大的電壓瞬變，前者會(huì)降低數(shù)據(jù)采集精度，后者則可能帶來安全風(fēng)險(xiǎn)。

類似地，為了安全且精確地操作液壓執(zhí)行器、電磁閥或電機(jī)啟動(dòng)器等執(zhí)行器，需要隔離式模擬輸出。除了要將模擬輸入和輸出與系統(tǒng)地隔離以外，輸入之間和輸出之間也需要隔離，以便處理不同傳感器和執(zhí)行器的不同共模電位，防止互相干擾。數(shù)字隔離器通過取代體積較大且不精確的傳統(tǒng)模擬隔離器和光耦合器，已經(jīng)成功提高了模擬系統(tǒng)性能，并且縮小了系統(tǒng)尺寸。置于檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的高分辨率ADC將精密模擬檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字流，然后利用高集成度多通道數(shù)字隔離器，通過隔離柵傳輸至系統(tǒng)微控制器。同樣，來自系統(tǒng)微處理器的數(shù)字命令也是利用數(shù)字隔離器通過隔離柵傳輸，然后利用高分辨率DAC轉(zhuǎn)換為精確的模擬電流或電壓控制信號(hào)。數(shù)字隔離器消除了模擬隔離器或傳統(tǒng)光耦合器相關(guān)的信號(hào)失真和降級(jí)，但是，DAC與控制器件的接口或ADC與傳感器的接口需要隔離電源才能工作。

雖然可以利用分立式隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器從系統(tǒng)側(cè)提供隔離電源，但它們需要許多分立器件，體積較大且難以設(shè)計(jì)。這些分立DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出也未得到很好的調(diào)節(jié)，并且在低負(fù)載時(shí)(低功耗高分辨率ADC或DAC就是如此)，其效率極其低下。為實(shí)現(xiàn)魯棒且緊湊的模擬測(cè)量與控制系統(tǒng)，需要小型集成式隔離電源和數(shù)字隔離。isoPower?是領(lǐng)先的工業(yè)數(shù)字隔離器iCoupler?技術(shù)的擴(kuò)展，可在超薄緊縮小型封裝(SSOP)中提供隔離信號(hào)和電源。

isoPower：用微變壓器實(shí)現(xiàn)信號(hào)和電源隔離讓我們?cè)敿?xì)研究一些isoPower器件，看看它們與傳統(tǒng)DC-DC方案有何區(qū)別。圖 1顯示了 isoPower器 件ADuM5010(提供最高150 mW隔離電源的集成DC-DC轉(zhuǎn)
換器，采用20引腳SSOP封裝)、一個(gè)DC-DC設(shè)計(jì)和一個(gè)基于光耦合器的分立設(shè)計(jì)的尺寸對(duì)比。ADuM5010僅占用90 mm?的板空間，其中包括4個(gè)表貼陶瓷電容，而總共包括16個(gè)器件的分立設(shè)計(jì)則需要470 mm?的板空間，比isoPower器件多5倍以上。DC-DC模塊的尺寸變化不定，但其厚度一般不適合表面貼裝。

SSOP封裝的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器可以利用雙芯片集成實(shí)現(xiàn)，如圖1b所示。左邊的芯片具備變壓器切換電路，右邊的芯片則具備整流二極管和反饋控制器。左芯片上集成三個(gè)變壓器，上方較小的變壓器提供反饋信號(hào)隔離，下方兩個(gè)變壓器用于傳輸隔離電源。SSOP上還可以再放置兩個(gè)芯片，提供額外的數(shù)字隔離通道，如圖 1c所示。ADuM521x isoPower器件是雙通道隔離器，集成150 mW DC-DC轉(zhuǎn)換器。右上芯片上的兩個(gè)變壓器為兩個(gè)數(shù)字通道提供隔離。

左上芯片和右上芯片均有編碼和解碼電路，用于將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)轿⒆儔浩鞯牧硪欢?。為了將電源傳輸?shù)礁綦x柵另一端，這些微變壓器以諧振方式高頻切換(大約120 MHz)，從而實(shí)現(xiàn)高效率能量傳遞。能量調(diào)節(jié)則通過低頻PWM反饋信號(hào)(大約500 kHz)實(shí)現(xiàn)，該信號(hào)控制高頻諧振動(dòng)作保持接通的占空比，如圖2所示。兩個(gè)交叉耦合HVCMOS開關(guān)與一個(gè)中心抽頭變壓器一起提供持續(xù)振蕩，其使能或停止由反饋PWM信號(hào)通過開關(guān)控制器控制。

圖1. (a) 不同隔離電源方案的尺寸比較；(b) 150 mW全集成式DC-DC轉(zhuǎn)換器ADuM5010透視；(c) 集成DC-DC轉(zhuǎn)換器的雙通道隔離器ADuM521x透視

圖2. 使用微變壓器的隔離電源傳輸原理圖

肖特基二極管在芯片2中實(shí)現(xiàn)，用于120 MHz的高效整流和改進(jìn)的II型控制器。為使上電平穩(wěn)，芯片1中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)軟啟動(dòng)電路。上電時(shí)，軟啟動(dòng)電路提供占空比緩慢提高的PWM信號(hào)，以便將輸出電壓緩慢充電到略低于目標(biāo)輸出電壓的預(yù)設(shè)電平。此時(shí)，反饋信號(hào)使能，并從軟啟動(dòng)輸出接管對(duì)開關(guān)的控制。該軟啟動(dòng)序列確保上電時(shí)的輸出過沖最小，這對(duì)于系統(tǒng)可靠性十分要。為了將數(shù)據(jù)魯棒地傳輸?shù)礁綦x柵另一端，需要使用差分編碼和解碼。上升沿編碼為正極性的短脈沖，下降沿編碼為時(shí)間相同但極性為負(fù)的短脈沖。差分接收器將這些不同極性的脈沖轉(zhuǎn)換為正確邏輯狀態(tài)的輸出。當(dāng)輸入狀態(tài)長(zhǎng)時(shí)間不變時(shí)，為確保輸出更新，還會(huì)定期發(fā)送刷新脈沖到變壓器的另一端：正脈沖表示邏輯高電平，負(fù)脈沖表示邏輯低電平。差分接收器可以抑制共模瞬變事件期間拾取的共模電壓，實(shí)現(xiàn)了50 kV/?s以上的大共模瞬變抑制性能。將32 ?m厚聚酰亞胺層夾在初級(jí)線圈與次級(jí)線圈之間，可以實(shí)現(xiàn)3.75 kV 1分鐘的UL額定隔離。isoPower變壓器的橫截面如圖3所示。

圖3. isoPower變壓器的橫截面?

上繞組和下繞組均有6 ?m厚Au以實(shí)現(xiàn)高效電源傳輸。聚酰亞胺具有非常好的抗高壓瞬變性能，電涌保護(hù)能力高于10 kV。此外，聚酰亞胺還具有明確的老化特性。在1.2 kV到3 kV的各種電壓下測(cè)量失效時(shí)間，其曲線如圖4所示?；诘湫偷木埘啺防匣瘮M合模型L ~ ev-n，400 V rms時(shí)的壽命超過100年，足以滿足許多工業(yè)應(yīng)用的需求。除了高壓特性以外，工業(yè)應(yīng)用還涉及到輻射等EMC要求。isoPower變壓器耦合緊密，直徑只有幾百微米，因此變壓器的輻射非常有限。isoPower變壓器也采用s型配置實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。在遠(yuǎn)場(chǎng)中，可以將變壓器的每一半設(shè)計(jì)為相位相反，使得來自某一半的磁通量與來自另一半的磁通量抵消。雖然變壓器的輻射可忽略不計(jì)，但設(shè)計(jì)使用isoPower產(chǎn)品的PCB時(shí)必須謹(jǐn)慎。除了通過良好的旁路將噪聲約束在器件以內(nèi)，還需要仔細(xì)設(shè)計(jì)PCB的隔離島，切勿形成有效的偶極子天線。isoPower器件配合妥善設(shè)計(jì)的PCB使用可滿足CISPR A類或B類標(biāo)準(zhǔn)。

測(cè)量與控制的信號(hào)和電源隔離需求

對(duì)于惡劣環(huán)境下的各種工業(yè)應(yīng)用，為了安全可靠地測(cè)量電流、電壓、溫度、壓力、流速或其它參數(shù)，需要通過隔離來消除接地環(huán)路，避免用戶或設(shè)備直接接觸危險(xiǎn)電壓，因此隔離對(duì)于維護(hù)數(shù)據(jù)完整性和保障用戶/設(shè)備安全至關(guān)重要。除了信號(hào)隔離，還需要電源隔離來為ADC或DAC提供偏置電壓，以便與各種傳感器接口。將隔離器件(例如基于光耦合器的器件)塞進(jìn)一個(gè)很小的區(qū)域是非常困難的，因?yàn)榇嬖谠S多模擬輸入或輸出，它們不僅需要與背板隔離，模擬通道之間也需要隔離。集成信號(hào)和電源隔離是為各種模擬I/O端口實(shí)現(xiàn)緊湊且魯棒的隔離的理想解決方案。

圖4. isoPower產(chǎn)品的高壓壽命

圖5. isoPower變壓器配置

圖6是一個(gè)用于工業(yè)儀器儀表或過程控制設(shè)備的隔離信號(hào)和電源方案示例。一個(gè)isoPower器件，例如集成150 mW隔離電源的雙通道數(shù)字隔離器ADuM5211，就能滿足指定模擬輸入通道的所有隔離需求。一個(gè)隔離數(shù)據(jù)通道用于將系統(tǒng)時(shí)鐘從微控制器發(fā)送到ADC，相反方向的另一個(gè)數(shù)據(jù)通道將采集到的數(shù)據(jù)從傳感器送回微控制器。對(duì)于彼此需要隔離的多個(gè)傳感器，可以使用多個(gè)ADuM5211。類似地，一個(gè)isoPower器件例如集成150 mW隔離電源的雙通道數(shù)字隔離器ADuM5210，就能滿足指定模擬輸出通道的所有隔離需求。

兩個(gè)數(shù)據(jù)通道用于將時(shí)鐘和數(shù)字命令從微控制器發(fā)送DAC以控制執(zhí)行器。對(duì)于彼此需要隔離的多個(gè)執(zhí)行器或模擬輸出，可以使用多個(gè)ADuM5210。圖6中的紅色水平虛線表示不同傳感器和執(zhí)行器之間的隔離柵，右邊較長(zhǎng)的紅色垂直虛線表示系統(tǒng)與模擬I/O端口之間的隔離。對(duì)于不同過程控制設(shè)備之間的通信，系統(tǒng)控制器與通信總線(如RS-485、RS-232、CAN等)之間需要補(bǔ)充隔離，如圖6中的較短紅色垂直虛線所示。同樣，單個(gè)isoPower器件，例如完全集成的帶500 mW隔離電源的隔離式RS-485收發(fā)器ADM2587，就足以為單臺(tái)設(shè)備提供完整的總線接口隔離。

這里，ADM2587提供集成式RS-485收發(fā)器和三個(gè)數(shù)字隔離通道，其中兩個(gè)用于將“驅(qū)動(dòng)”和“驅(qū)動(dòng)使能”信號(hào)從微控制器發(fā)送到總線，另外一個(gè)用于將接收到的數(shù)據(jù)從總線發(fā)送到控制器?？梢钥吹?，集成信號(hào)和電源隔離大大簡(jiǎn)化了工業(yè)設(shè)備的測(cè)量、控制和通信接口。

圖6. 使用isoPower的完全隔離式工業(yè)測(cè)量與控制系統(tǒng)?

電池測(cè)量或測(cè)試設(shè)備也有類似的信號(hào)和電源隔離需求。各電池單元的電壓和電流需要連續(xù)監(jiān)控以便維護(hù)電池壽命，但整個(gè)串聯(lián)電池組的總電壓可能高達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千伏。為了與位于堆疊不同位置的不同電池組接口，電池監(jiān)控IC需要與系統(tǒng)控制器隔離，并且需要隔離電源以便在電池發(fā)生故障時(shí)妥善關(guān)閉系統(tǒng)。

結(jié)論

與基于光耦合器和分立變壓器的解決方案相比，采用微變壓器和小型封裝的集成信號(hào)與電源隔離方案可大幅簡(jiǎn)化工業(yè)測(cè)量和過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，顯著縮小電路板空間并降低成本。它能在惡劣工業(yè)環(huán)境下提供可靠且精確的測(cè)量與控制。