數(shù)字隔離器工作原理及應(yīng)用實(shí)例

摘要：討論了隔離技術(shù)的發(fā)展，分析了數(shù)字隔離器的工作原理，給出了數(shù)字隔離器的應(yīng)用實(shí)例。

關(guān)鍵詞：隔離；數(shù)字隔離器；高頻通道；低頻通道；傳感器；接口

中圖分類號：TN305文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)22-772-02

The Working Principle and Applications of the Digital Isolator

XU Hua

(Xiamen Kerun Electronic Technology Co.Ltd， Xiamen 361006， China)

Abstract: Discuss the development of isolation technology， analysis the working principle of the digital isolator， and also give the applications of digital isolators.

Key words: isolation; digital isolators; high-frequency channel; low-frequency channel; sensor; interface

1 引言

進(jìn)行隔離是防止電流在兩個通訊點(diǎn)之間流動的一種方法。一般在兩種情況下采用隔離：第一種情況是，在有可能存在損壞設(shè)備或危害人員的潛在的電流浪涌時。第二種情況是必須避免存在不同地電位和分裂的接地回路的互連。兩種情形都是采用隔離來避免電流流過，而允許兩點(diǎn)之間有數(shù)據(jù)或功率傳送。隔離應(yīng)用涉及高電壓、高速/高精度通信、或者長距離通信。普通的例子如工業(yè)I/O系統(tǒng)、傳感器接口、電源/調(diào)節(jié)桿，發(fā)動機(jī)控制/驅(qū)動系統(tǒng)以及儀器儀表。

2 早期的隔離技術(shù)

早期的設(shè)計除使用變壓器之外，還使用各種模擬隔離放大器，將工廠地面的傳感器電路與控制室內(nèi)的信號處理系統(tǒng)進(jìn)行隔離。在通道數(shù)量有限及信號帶寬小的應(yīng)用中，目前仍在采用這些放大器。 隔離放大器雖然具有高可靠性和高精度，但受限于信號帶寬50kHz。其老舊的技術(shù)要求最小±4V的電源，不支持目前的3V及以下的低電壓應(yīng)用。此外，其制造過程涉及輸入和輸出部分單獨(dú)制作，異常電路匹配的激光微調(diào)，以及在兩部分間安裝隔離電容，使這些器件相當(dāng)昂貴。

3 多通道隔離

工業(yè)自動控制中的許多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用多輸入通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)捕獲多個模擬輸入的輸入數(shù)據(jù)(被測物理量)。絕大多數(shù)Δ-ΣADC都具有串行接口來減小封裝尺寸和占板面積。串行接口的復(fù)雜性在于需要的慢速控制信號數(shù)不同，如片選、功率降低、增益及速度設(shè)定以及多路器尋址。不過，所有串行接口都具有時鐘信號和輸出數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)換結(jié)果）高速傳輸線。因?yàn)樾盘柅@取和調(diào)理發(fā)生在ADC內(nèi)部，將傳感器電路與信號處理電路隔離的最佳位置是在采用數(shù)字隔離器的數(shù)字接口處。如前所述，因?yàn)榻涌趶?fù)雜，隔離器必須能夠傳輸高速ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果，同時也要能傳輸?shù)退倏刂菩盘枴?/p>

4 數(shù)字隔離器工作原理

圖1是基于一種電容性隔離屏障技術(shù)的隔離器。此器件由兩個數(shù)據(jù)通道組成：一個是高頻通道(HF)，帶寬從100 kHz到150MHz；另一個是低頻通道(LF)，覆蓋范圍從100 kHz到直流。

原則上來說，一個單端輸入信號進(jìn)入HF通道之后被輸入端的非門分離為一微分信號。隨后的電容電阻網(wǎng)絡(luò)將此信號微分為瞬變信號，然后再通過兩個比較器轉(zhuǎn)換成微分脈沖。比較器輸出驅(qū)動一個‘或非’門跳轉(zhuǎn)，其輸出進(jìn)入一輸出多路器。跳轉(zhuǎn)的輸出驅(qū)動處的一精密邏輯(DCL)測量信號瞬變之間的間隔。如果兩個連續(xù)瞬變的間隔超過某一時間限(如在低頻率信號時)，DCL驅(qū)使輸出多路器從高頻通道轉(zhuǎn)向低頻通道。因?yàn)榈皖l輸入信號需要內(nèi)部電容為受限制的大容量值，這些信號用一內(nèi)部振蕩器的載波頻率進(jìn)行寬調(diào)制，這樣，得到能通過容性屏障的高頻信號。調(diào)制輸入時，需要一個低通濾波器(LPF)將高頻載波從實(shí)際數(shù)據(jù)中除掉，然后再到達(dá)輸出多路器。圖2和圖3給出了高頻通道和低頻通道及相應(yīng)的代表性波形。

4.1 高頻操作

將單端輸入信號分離成微分信號分量A和/A。每個信號分量然后再微分成瞬變B和/B。跟隨的比較器對瞬變進(jìn)行比較。只要比較器正輸入的電位高于負(fù)輸入端電位，比較器輸出即為邏輯高，這樣就將輸入瞬變轉(zhuǎn)換成了短輸出脈沖了。

輸出脈沖置位及復(fù)位‘或非’門跳轉(zhuǎn)。我們可以從真值表看出，‘或非’門配置有一個反向跳轉(zhuǎn)，即輸入C的高電平將輸出/D置為高，而/C為高電平則將D置為高。因?yàn)楸容^器輸出脈沖持續(xù)時間短，就可能出現(xiàn)兩個輸出都為低的情況。這時，跳轉(zhuǎn)將其之前的輸出狀態(tài)存儲了下來。由于/D的信號與輸入信號在形狀和相位上都相同，/D就成為了高速通道的輸出而與輸出多路器相連。

4.2 低頻通道工作

慢輸入信號用一高頻載波進(jìn)行脈寬調(diào)制，信號高則位置A的占空比為90:10，信號低則在此處的占空比為10:90。此后，信號處理與高速通道的不對稱信號處理相同。唯一不同是，低速通道(/D)的高頻成分用一R-C低通濾波器濾波，然后再進(jìn)入輸出多路器(E)。

5 應(yīng)用實(shí)例

隔離工業(yè)接口時，需要區(qū)分過程控制和工廠自動化應(yīng)用。這是因?yàn)閮烧咧g的差別會影響到數(shù)字接口設(shè)計的隔離工作。過程控制一般涉及到檢測某些設(shè)備、系統(tǒng)或過程的不同物理量（如壓力“與”溫度）。每一個物理量都用一特定類型的傳感器或變換器，其輸出信號需要特定的信號調(diào)理。因此，多種不同的傳感器需要不同的參數(shù)設(shè)置，如內(nèi)部增益、采樣率、測量重復(fù)性、以及阻抗緩沖。支持寬范圍設(shè)置的ADC提供有多個接口控制線，除標(biāo)準(zhǔn)串行接口線要求隔離之外，所有這些控制線也都要求隔離。

圖4中，許多不同靈敏度(mV/K)的傳感器測量不同的過程參數(shù)，如溫度、壓力和電流。要求有多種增益設(shè)置來使各傳感器的ADC的輸入動態(tài)范圍最大化。如果期望一個或多個通道輸入變化能比別的通道快，可能就要求采樣率（速度）之間有切換。降低功率功能用來節(jié)省測量后的功耗，此功能可使控制器執(zhí)行其它系統(tǒng)功能。這種高度多功能性要求許多控制通道用兩個四路隔離器隔離。

與過程控制相比，工廠自動化常涉及監(jiān)測多個器件和設(shè)備的單個物理量（如溫度‘或’壓力）。因此，這些系統(tǒng)采用多個同類型傳感器，靈敏度和響應(yīng)時間一致。

如果使用的傳感器特性一致，通過連接相關(guān)控制引腳(Gain1、Gain2和Speed)將增益和采樣率設(shè)置值固定到合適的電源軌（VDD或GND），接口可以簡化為數(shù)據(jù)、時鐘和地址線的隔離，系統(tǒng)配置將大大簡化。

在上述例子中，接口隔離出現(xiàn)在ADC和系統(tǒng)控制器之間。這種方法非常適合每個模塊只需要一個或最多兩個ADC進(jìn)行通道計數(shù)的輸入模塊。如果超過此種情況，而將每個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器隔離就不經(jīng)濟(jì)了。因此，建議使用本地控制器。這時，每個ADC都通過一個GPIO總線接口與本地控制器通信。不過，實(shí)際隔離位于本地到系統(tǒng)的控制器接口。

6 結(jié)束語

可以肯定地說隔離放大器已經(jīng)過時了，而數(shù)字隔離器正當(dāng)時。了解系統(tǒng)要求后再決定采用哪種隔離器以及將隔離器置于系統(tǒng)哪個位置。