介紹

如今，電子產品設計師比以往任何時候都更面臨著一系列共同的目標：實現更高的吞吐量、更高的分辨率、更高效的系統和縮短上市時間。在工業自動化、醫療電子或電信系統等領域，通常需要電隔離多個信號，以使子系統能夠共享數據或控制信號，而不允許噪聲或高壓干擾系統的完整性和安全。

隔離信號不足以提供真正的噪聲和高壓的真正隔離——電源也需要隔離。設計一個孤立的電源通常需要專門的技能和經驗。它需要花費寶貴的時間和多次迭代來完成它。

信號隔離基礎

隔離信號是提供以下設計關鍵功能的必要條件：

電壓隔離提供了一個介電屏障，在需要更高功率水平的系統中，它可以作為一個絕緣體來對抗高電壓。

在不同電壓軌道下運行的電路之間實現無噪聲數據傳輸是一個常見的挑戰。盡管有許多非隔離的電平移位器可用來規避這個問題，但使用隔離器提供了幾個可靠的優點。隔離器是最無噪聲和最健壯的解決方案，它們可以防止寄生路徑可能會無意中打開或關閉設備。

噪音消除：隔離產品將電路的接地電流(返回路徑)限制在屏障的一側，為另一側的敏感測量提供了無噪聲的環境。

系統注意事項

為了確保實現了真正的隔離，電路設計人員必須消除從一個電路(圖1中的電路A)到另一個需要隔離的電路(圖1中的電路B)的所有可能的耦合路徑。因此，在隔離信號時，隔離電源也同樣重要。對于一個電路設計者來說，隔離信號的挑戰確實是雙重的：提供安全、可靠和準確的信號隔離以及功率隔離。有多種針對信號隔離的解決方案可以滿足設計者的需求——基于數據速率能力、抖動限制、噪聲豁免問題、高電壓能力、符合各種隔離組件安全標準等。然而，對于許多只需要一瓦特左右的隔離電力的應用程序，還沒有現成的或容易實現的電力隔離解決方案。

圖1：需要隔離信號和電源

應用程序示例

工廠自動化系統依賴于高效和可靠的實時分布式網絡來監控和控制復雜的制造過程。在這些系統中使用的一個典型的和簡化的層次結構如圖6所示。頂部控制室的人機界面連接到中間控制器層 ，最后連接到物理層，傳感器和驅動器作為電機驅動單元或由PLC(可編程邏輯控制器)控制的機器的一部分。

圖2：需要隔離的工廠自動化系統的示例

物理層連接工藝模塊中的傳感器和執行器，并穿過工廠層或裝置。如圖2所示，基于can的總線與各種電機控制單元通信，而基于rs-485的總線(propic總線)與工廠底層的各種機器通信。這些物理層通常用于工業自動化，因為它們即使在嘈雜的環境中也非常健壯，并支持在可能覆蓋數百平方米的工廠地板上所需的長距離、多點通信。這些總線有多個節點，它們通過CAN或RS-485收發器連接到總線。隔離這些接口對于保護高壓、高電磁(EM)噪聲和網絡內的大地面電位差至關重要。

圖3顯示了與處理器隔離的RS-485收發器節點的詳細圖。隔離的電源方案稱為隔離直流直流轉換器塊。開發人員很少有易于部署的高性能解決方案、孤立的電源解決方案。設計師經常需要自己設計從頭開始為隔離器的二次側和隔離側的RS-485收發器提供隔離電源。

圖3。隔離RS-485收發器

圖3中的收發器是一個半雙工設備，其接收和傳輸線路連接在一起。它通過圖3中標記為A和B的差動I/Os與RS-485總線進行通信。收發器通過其單端數字I/O標記Rx(接收器)和Tx(發射器)以及控制發射器的EN(啟用引腳)信號向處理器提供接口。

該收發器通常有2到4個數字信號，需要快速和準確的數字隔離，并需要0.5W到1W的功率，這必須由一個具有以下特性的專用隔離源提供：

l 緊湊型解決方案：根據特定的應用，空間可能是溢價的，一般來說，較小的BOM總是更的制造性、可靠性和成本。

l 高效率：重要的是要有一個緊湊的、高效的解決方案，以便使熱量保持在最低限度，并能保持綠色能源標準。

l 低EMI：對于敏感的測量，保持整個系統噪聲的最低限度是至關重要的。為了微調發射頻譜到一個特定的用例，最好有一個可編程的頻率選項，它允許用戶選擇DC/DC轉換器的切換頻率。

l 安全特點：在安全最重要的工業環境中，建議設備采用軟啟動選項，以避免涌入電流、電流限制能力和熱檢測，并在熱量過大的情況下自動關閉。

l 多重隔離通道：最后，該解決方案需要支持多個隔離通道，至少具有2.5kVrms的分級隔離能力，以滿足安全標準。即使在高噪聲的環境中，隔離器也需要具有良好的信號完整性。

工業隔離的解決方案

市場上只有少數產品能在緊湊性和發電能力之間以及最小化排放和最大化效率之間達到正確的平衡。

使用場效應晶體管、控制器、單通道隔離器(或光電通管)進行反饋以及其他支持BOM用于功率隔離的離散解決方案是非常常見的。這樣的解決方案必須從頭開始設計，需要專門的經驗和技能，需要多次迭代才能正確。

一些解決方案將數字隔離和電力變壓器集成在一個集成電路包中。這些空氣芯變壓器的耦合系數很差，需要在很高的頻率下驅動以提供等效的功率。這導致EMI的排放量更高，這對許多設計師來說是一個強大的威懾。

此外，這些產品的功率轉換器效率通常較低，從10-35%開始。在空間昂貴的應用中，效率是“ 不關心”，高排放不是問題，這些可能會奏效。但通常情況下，這樣的解決方案并不令人信服。

還有其他解決方案集成信號隔離器和直流-直流轉換器，并設計與離散變壓器。這種方法優化了最高的效率和集成。這些解決方案是一個完整的解決方案，結構緊湊，可以以約78%的效率提供高達2W的功率。

例如，硅實驗室的Si88xx隔離產品將四數字隔離器與改進的飛回拓撲dc-dc轉換器與內置的二次傳感反饋控制相結合。Si88xx器件通過采用抖動技術被設計為極低的排放。

其他功能包括軟啟動能力以避免啟動時的涌流、循環循環限流、過溫事件的熱檢測和關閉，以及循環跳過以減少開關損耗，從而在較輕負載時提高效率。

Si88xx隔離器的選項可用于從5V到24 V的各種電壓水平，以及數字隔離通道的各種組合及其方向性。該解決方案利用硅實驗室專有的信號隔離技術，以其標志性的低EMI配置文件，提供高集成、高效和非常低的EMI。

圖4提供了一個Si88xx隔離器的簡化方框圖。除了四個高速數字隔離通道外，Si88xx設備還集成了一個直流-直流控制器和內部FET開關，可以調制功率到外部變壓器。輸出端通過外部電阻分配器進行反饋，以提供優秀的線路和負載調節。

直流-直流轉換器采用抖動技術來最小化電磁干擾峰值，并采用零電壓開關(ZVS)方案來最小化調制變壓器功率時的功率損耗。該設備在輕負載下使用循環跳過來減少開關損耗和提高效率。多種安全特性包括逐循環限流、軟啟動以避免涌入電流和熱關閉。該設備還包含了幾個用戶可編程的功能，如軟啟動時間控制，dc-dc轉換器的關閉選項和開關頻率控制，以微調EMI配置文件。

圖4：帶集成直流-直流轉換器的高速數字隔離器

圖5：用于隔離RS-485接口的Si88xx解決方案

總結

優雅的解決方案，結合了優秀的數字隔離特性，高功率轉換效率和極低的EMI排放，現在可用，使數字設計師的開發更容易。這些都是即插即用的解決方案，消除了昂貴的設計時間和迭代，并將猜測完全排除在外，確保了首次成功和最快的上市時間。

審核編輯：湯梓紅