作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美編輯

電子系統的設計者需要將電源和信號隔離，以滿足性能要求，并滿足用戶和設備安全的法規要求。使用變壓器可輕松實現 AC 電源路徑的隔離。盡管要求更多的電路，DC 電源軌的隔離最終也依賴于變壓器。然而，針對已數字化的模擬信號和數字串行數據流進行隔離會面臨不同的挑戰和復雜性。

在這種情況下，用于隔離的能量轉移技術必須在隔離屏障上保持信號完整性，以維持系統性能。雖然實現隔離的方法有很多，但設計人員必須在更高的數據速率和更具挑戰性的環境中確保信號完整性。因此，他們越來越多地轉向能夠以 150 兆比特每秒 (Mbps) 的速度傳輸數據的數字隔離器。

本文將簡單探討隔離原因，并強調基于傳感器的電路需求。然后，介紹使用 [Analog Devices] 最先進的數字隔離器進行隔離的各個方面，并展示如何應用這種隔離器。

隔離：原因和位置

傳感器電路需要隔離的原因有多種：

1. 隔離可消除共模電壓變化，最大限度地減少某些類型的電磁干擾 (EMI)。通過隔離能防止外部噪聲源干擾采集到的信號，從而確保測量結果更純凈、更準確。通過隔離，還可以測量具有高共模電壓的小信號。
2. 由于電路接地之間存在電位差，接地回路會引入電壓差，從而使測量信號失真。隔離可斷開接地回路。
3. 隔離功能可防止危險的尖峰電壓、瞬態電壓或浪涌電壓波及敏感的測量元件。這可以保護測量電路、用戶和任何連接設備。
4. 隔離功能支持不同電路功能之間的安全電平轉換。隔離屏障一側的電路可采用傳感器電壓，而另一側的電路可采用 3.3 V 或 5 V 邏輯電平信號。

例如，在高壓電池組中，通常需要了解單節電池的電壓，以確保系統安全運行并盡可能延長電池壽命。盡管在串聯的電池組中存在高達數百伏的共模電壓，但仍必須測量單節電池的電壓。

雖然可以使用模擬電路和隔離放大器克服這一問題，但這種方法無法滿足在保持系統精度、線性度和一致性的同時，獲得更高帶寬、更高分辨率的測量需求。

相反，完成這些測量的最準確、最經濟和最高效的技術是隔離整個測量前端，包括模數轉換器 (ADC)，然后使用隔離式串行鏈路將數字化數據傳送到系統的其他部分（圖 1）。

圖 1：在測量高壓電池組中單節電池的電壓時，使用隔離前端能夠克服共模電壓挑戰。（圖片來源： Analog Devices）

這種方法既能隔離電池組的共模電壓，又能在發生故障時防止任何危險的高電壓遷移到數據鏈路側或用戶。

請注意，如需隔離信號，就必須提供隔離電源，因為非隔離電源軌會與信號隔離相抵觸和抵消。通過獨立的電源隔離電路或使用電池作為獨立的隔離電源，即可實現所需的電源隔離。

如何實現隔離

許多參數決定了隔離性能。其中包括隔離屏障失效前可承受的最大電壓。相關法規規定了所需的最高電壓，通常為數千伏，但具體取決于具體的應用。

有幾種不同的技術可用于實現數字信號的隔離。其中包括電容耦合、光耦合（LED 和光電晶體管）、"微"刻度射頻傳輸和磁耦合。

后者是一種可靠的技術，具有許多優點，但歷來需要一個相對較大且昂貴的信號轉換器。Analog Devices 推出的 iCoupler 技術改變了這種情況。這種方法使用芯片級初級和次級線圈，并通過聚酰亞胺絕緣層形成的隔離屏障將兩者隔離（圖 2）。高頻載波通過隔離屏障向次級線圈傳輸數據。

圖 2：iCoupler 技術使用高頻載波，穿過厚聚酰亞胺絕緣層將數據從初級線圈傳輸到次級線圈。(圖片來源：Analog Devices. ）

在運行過程中，初級變壓器通過初級線圈中的脈沖電流產生一個小型局部磁場，從而在次級線圈中產生感應電流。電流脈沖很短，約為 1 納秒（1 ns），因此平均電流很低，可以確保低功耗。此外，用于脈沖的開/關鍵控 (OOK) 技術和差分結構實現了極低的傳播延遲和高速能力。

iCoupler 使用的聚合物材料具有強大的隔離性能，因為這種材料幾乎適用于所有應用。對諸如醫療設備和重型工業設備等最具挑戰性的使用案例來說，這種性能最有用。

聚酰亞胺的應力也比二氧化硅 (SiO 2 ) 小（一種備選屏障材料），而且可以根據需要增加厚度。相反，SiO2 的厚度以及隔離能力是有限的；厚度大于 15 微米 (μm) 的應力可能會在加工過程中導致晶片出現裂紋，或在隔離器的使用期限內出現分層。聚酰亞胺數字隔離器使用厚達 26 μm 的隔離層。

Analog Devices 提供各種基于變壓器的 iCoupler 數字隔離器。其中包括用于 CAN、RS-485 和 SPI 接口的 [ADUM340E0BRWZ -RL] 、 [ADUM341E0BRWZ -RL] 和 [ADUM342E1WBRWZ 3000 Vrms、150 Mbps 隔離器。]

這三種數字隔離器統稱為 ADuM34xE 器件，主要區別在于其通道方向性。ADuM340E 有四個正向通道，ADuM341E 有三個正向通道和一個反向通道，ADuM3421 有兩個正向通道和兩個反向通道（圖 3）。

圖 3：ADuM34xE 系列中的三款四通道數字隔離器規格相似，但通道方向不同。（圖片來源：Analog Devices）

這三款隔離器都有兩種故障安全模式可供選擇（圖 4）：如果輸入端斷開或不工作（低故障安全模式），則輸出狀態設為低電平；如果輸入端斷開或不工作（高故障安全模式），則輸出狀態設為高電平。這樣，在關鍵應用中使用時，隔離器就能恢復到已知狀態。

圖 4：所示為 ADuM34xE 器件單通道的運行框圖，說明了低故障安全（上）和高故障安全（下）選項。(圖片來源：模擬器件公司）

請注意，輸入端（圖 3 中的 VDD1 引腳）和輸出端（V DD2 ）電源之間沒有關系。它們可以在規定的工作范圍內以任何電壓同時工作，并以任何順序排序。該功能使隔離器能夠執行 2.5 V、3.3 V 和 5 V 邏輯等的電壓轉換。

ADuM34xE 性能特點的細微差別

ADuM34xE 隔離器的高隔離電壓、高速度、低功耗和低傳播延遲等特性可直接用于設計，而且對于設計人員來講，其架構還有更多細微的優勢。例如，總功耗隨運行頻率變化，功耗要求與設備運行速度大致成正比。因此，空閑通道或者以極低速度切換的通道的耗電量極低。對比他隔離技術，功耗相對降低了一到兩個數量級。

此外，一旦設計人員確定了應用的最大串行時鐘速率，就可以選擇相關的隔離電源，以提供足夠的電流來支持這一速率，從而規定值無需超過隔離器的最大值

鑒于定時和傳播延遲在高速串行鏈路中的重要性，必須注意數字隔離器的性能不會隨時間和溫度的變化而降低或改變。在信號傳輸速率較低時，抖動問題不大，因為與周期波相比，抖動誤差較小，但在數據傳輸速率較高時，定時抖動在信號間隔中的占比會很大。選擇抖動最小的隔離器可以提高隔離電路的信噪比 (SNR) 和效率。

基于 iCoupler 架構的這些特性，器件規格書規定了在 -40°C 至 +125°C 整個工作溫度范圍內可保證的最低和最高功耗、傳播延遲和脈沖失真規格。對于設計人員來說，使用這些全面的規格，就可以簡化與最壞情況下的系統性能有關的計算。

有了數字隔離器與傳播延遲（最大 10 ns）（圖 5）、偏移和通道間匹配相關的保證數值，就可以像使用其他數字集成電路一樣，對頂層系統的定時規格進行建模、評估。

圖 5：iCoupler 技術在整個工作溫度范圍內實現了低于 10 ns 的超低全特征化傳播延遲。（圖片來源：Analog Devices）

共模瞬態抗擾度 (CMTI) 是一個鮮為人知且容易被忽視的規格。電動汽車 (EV) 和混動汽車 (HEV) 的充電電路、太陽能發電系統和電機驅動器等高壓應用中的持續開關操作會產生如振鈴和噪聲等共模瞬態。ADuM34xE 器件的隔離技術采用背靠背中心抽頭變壓器架構，可為隔離屏障兩側的噪聲提供低阻抗接地路徑。這使它們能夠達到 100 千伏每微秒 (kV/μs) 的 CMTI 額定值（最小），大大提高了隔離信號的完整性。

熟悉磁學的設計人員可能會擔心，這些隔離器可能會受到磁干擾的影響，進而破壞穿過隔離屏障的傳輸脈沖，造成誤差。這種擔心是多余的，因為變壓器半徑很小，而且是空氣芯，這意味著需要非常大的磁場或非常高的頻率才能導致故障。數字隔離器不會受到距離設備僅 5 毫米 (mm) 的導線中 1 兆赫茲 (MHz) 時 500 安培 (A) 電流的影響。

評估數字隔離器

雖然這些隔離器的功能簡單明了，但在應用時需要注意電路板布局等細節，以確保其高壓隔離能力和高速運行性能不受影響。

為幫助設計人員使用和評估該器件，Analog Devices 提供 [EVAL-ADUM34XEEBZ] iCoupler 數字隔離器接口評估板（圖 6）。在這塊電路板上有每個隔離器的位置和布局，還有一個空位置。電路板上的每個器件（U1 至 U4）之間都有 V 形凹槽，方便用戶將電路板分成若干部分，并在試驗板或類似測試夾具上測驗特定器件。

圖 6：EVAL-ADuM34XEEBZ 評估板支持所有三個 ADuM34xE 器件，并提供一個開放位置供用戶選擇引腳兼容的器件。(圖片來源：Analog Devices）

EVAL-ADuM34XEEBZ 電路板遵循相關的印刷電路板（PC 板）設計規范，包括隔離屏障兩側各一個接地平面。使用該電路板評估 iCoupler 器件時只需一臺示波器、一個信號發生器和一個 2.25 V 至 5.5 V 電源。

結語

許多設計都需要隔離以保持信號完整性，確保用戶和設備安全，并滿足監管要求。基于 Analog Devices iCoupler 磁耦合技術的數字隔離器提供了一種易于使用且可靠的高速解決方案。這類器件的核心規格，包括隨時間和溫度而發生的最小降額，確保了長期、卓越的性能。

審核編輯 黃宇