信号和电源隔离的有效设计技术

介绍

如今，电子产品设计师比以往任何时候都更面临着一系列共同的目标：实现更高的吞吐量、更高的分辨率、更高效的系统和缩短上市时间。在工业自动化、医疗电子或电信系统等领域，通常需要电隔离多个信号，以使子系统能够共享数据或控制信号，而不允许噪声或高压干扰系统的完整性和安全。

隔离信号不足以提供真正的噪声和高压的真正隔离——电源也需要隔离。设计一个孤立的电源通常需要专门的技能和经验。它需要花费宝贵的时间和多次迭代来完成它。

信号隔离基础

隔离信号是提供以下设计关键功能的必要条件：

电压隔离提供了一个介电屏障，在需要更高功率水平的系统中，它可以作为一个绝缘体来对抗高电压。

在不同电压轨道下运行的电路之间实现无噪声数据传输是一个常见的挑战 。尽管有许多非隔离的电平移位器可用来规避这个问题，但使用隔离器提供了几个可靠的优点。隔离器是最无噪声和最健壮的解决方案，它们可以防止寄生路径可能会无意中打开或关闭设备。

噪音消除：隔离产品将电路的接地电流（返回路径）限制在屏障的一侧，为另一侧的敏感测量提供了无噪声的环境。

系统注意事项

为了确保实现了真正的隔离，电路设计人员必须消除从一个电路（图1中的电路A）到另一个需要隔离的电路（图1中的电路B）的所有可能的耦合路径。因此，在隔离信号时，隔离电源也同样重要。对于一个电路设计者来说，隔离信号的挑战确实是双重的：提供安全、可靠和准确的信号隔离以及功率隔离。有多种针对信号隔离的解决方案可以满足设计者的需求——基于数据速率能力、抖动限制、噪声豁免问题、高电压能力、符合各种隔离组件安全标准等。然而，对于许多只需要一瓦特左右的隔离电力的应用程序，还没有现成的或容易实现的电力隔离解决方案。

 

图1：需要隔离信号和电源

应用程序示例

工厂自动化系统依赖于高效和可靠的实时分布式网络来监控和控制复杂的制造过程。在这些系统中使用的一个典型的和简化的层次结构如图6所示。顶部控制室的人机界面连接到中间控制器层 ，最后连接到物理层，传感器和驱动器作为电机驱动单元或由PLC（可编程逻辑控制器）控制的机器的一部分。

 

图2：需要隔离的工厂自动化系统的示例

物理层连接工艺模块中的传感器和执行器，并穿过工厂层或装置。如图2所示，基于can的总线与各种电机控制单元通信，而基于rs-485的总线（propic总线）与工厂底层的各种机器通信。这些物理层通常用于工业自动化，因为它们即使在嘈杂的环境中也非常健壮，并支持在可能覆盖数百平方米的工厂地板上所需的长距离、多点通信。这些总线有多个节点，它们通过CAN或RS-485收发器连接到总线。隔离这些接口对于保护高压、高电磁（EM）噪声和网络内的大地面电位差至关重要。

图3显示了与处理器隔离的RS-485收发器节点的详细图。隔离的电源方案称为隔离直流直流转换器块。开发人员很少有易于部署的高性能解决方案、孤立的电源解决方案。设计师经常需要自己设计从头开始为隔离器的二次侧和隔离侧的RS-485收发器提供隔离电源。

 

图3。隔离RS-485收发器

图3中的收发器是一个半双工设备，其接收和传输线路连接在一起。它通过图3中标记为A和B的差动I/Os与RS-485总线进行通信。收发器通过其单端数字I/O标记Rx（接收器）和Tx（发射器）以及控制发射器的EN（启用引脚）信号向处理器提供接口。

该收发器通常有2到4个数字信号，需要快速和准确的数字隔离，并需要0.5W到1W的功率，这必须由一个具有以下特性的专用隔离源提供：

1. 紧凑型解决方案：根据特定的应用，空间可能是溢价的，一般来说，较小的BOM总是更的制造性、可靠性和成本。
2. 高效率：重要的是要有一个紧凑的、高效的解决方案，以便使热量保持在最低限度， 并能保持绿色能源标准。
3. 低EMI：对于敏感的测量，保持整个系统噪声的最低限度是至关重要的。为了微调发射频谱到一个特定的用例，最好有一个可编程的频率选项，它允许用户选择DC/DC转换器的切换频率。
4. 安全特点：在安全最重要的工业环境中，建议设备采用软启动选项，以避免涌入电流、电流限制能力和热检测，并在热量过大的情况下自动关闭。
5. 多重隔离通道：最后，该解决方案需要支持多个隔离通道，至少具有2.5kVrms的分级隔离能力，以满足安全标准。即使在高噪声的环境中，隔离器也需要具有良好的信号完整性。

工业隔离的解决方案

市场上只有少数产品能在紧凑性和发电能力之间以及最小化排放和最大化效率之间达到正确的平衡。

使用场效应晶体管、控制器、单通道隔离器（或光电通管）进行反馈以及其他支持BOM用于功率隔离的离散解决方案是非常常见的。这样的解决方案必须从头开始设计，需要专门的经验和技能，需要多次迭代才能正确。

一些解决方案将数字隔离和电力变压器集成在一个集成电路包中。这些空气芯变压器的耦合系数很差，需要在很高的频率下驱动以提供等效的功率。这导致EMI的排放量更高，这对许多设计师来说是一个强大的威慑。

此外，这些产品的功率转换器效率通常较低，从10-35%开始。在空间昂贵的应用中，效率是“ 不关心”，高排放不是问题，这些可能会奏效。但通常情况下，这样的解决方案并不令人信服。

还有其他解决方案集成信号隔离器和直流-直流转换器，并设计与离散变压器。这种方法优化了最高的效率和集成。这些解决方案是一个完整的解决方案，结构紧凑，可以以约78%的效率提供高达2W的功率。

例如，硅实验室的Si88xx隔离产品将四数字隔离器与改进的飞回拓扑dc-dc转换器与内置的二次传感反馈控制相结合。Si88xx器件通过采用抖动技术被设计为极低的排放。

其他功能包括软启动能力以避免启动时的涌流、循环循环限流、过温事件的热检测和关闭，以及循环跳过以减少开关损耗，从而在较轻负载时提高效率。

Si88xx隔离器的选项可用于从5V到24 V的各种电压水平，以及数字隔离通道的各种组合及其方向性。该解决方案利用硅实验室专有的信号隔离技术，以其标志性的低EMI配置文件，提供高集成、高效和非常低的EMI。

图4提供了一个Si88xx隔离器的简化方框图。除了四个高速数字隔离通道外，Si88xx设备还集成了一个直流-直流控制器和内部FET开关，可以调制功率到外部变压器。输出端通过外部电阻分配器进行反馈，以提供优秀的线路和负载调节。

直流-直流转换器采用抖动技术来最小化电磁干扰峰值，并采用零电压开关（ZVS）方案来最小化调制变压器功率时的功率损耗。该设备在轻负载下使用循环跳过来减少开关损耗和提高效率。多种安全特性包括逐循环限流、软启动以避免涌入电流和热关闭。该设备还包含了几个用户可编程的功能，如软启动时间控制，dc-dc转换器的关闭选项和开关频率控制，以微调EMI配置文件。

 

图4：带集成直流-直流转换器的高速数字隔离器

 

图5：用于隔离RS-485接口的Si88xx解决方案

总结

优雅的解决方案，结合了优秀的数字隔离特性，高功率转换效率和极低的EMI排放，现在可用，使数字设计师的开发更容易。这些都是即插即用的解决方案，消除了昂贵的设计时间和迭代，并将猜测完全排除在外，确保了首次成功和最快的上市时间。