简化工业应用中的电路隔离

无干扰数据通信和个人安全是电子技术在典型工业环境中面临的两大挑战。强烈的电磁场、过电压、瞬态电压和高电磁兼容性(EMC)干扰是今天的事情。例如,如果通信电缆不顺利地靠近频率逆变器的控制电缆,则脉冲被电容耦合,通信电缆中的信号与频率逆变器的脉冲模式振荡。这种干扰可以很快达到可能发生严重故障甚至危及人员安全的程度。

例如,当用热电偶测量电动机的温度时,产生毫伏范围内的电压。如果这些电压现在通过数米长的电缆传输到一个中心控制单元,该控制单元指的是不同的地球电位,那么测量信号就会被电位差扭曲。

如果我们总结上述现象,就会出现以下四个挑战:

· 危险电压与使用者之间的安全屏障

· 空间电路间地面循环的分离

· 尽量减少共同模式的干扰

· 无干扰数据传输

图1以图表形式显示数据传输系统的情况。为了满足保护用户危险电压的要求,并保证无干扰数据的传输,必须实现电隔离,以隔离区域,即。,就潜力而言----以便它们能够单独工作,从而不受干扰。数据流通过数字隔离器运行。然而,电流隔离可以防止干扰和电位均衡电流

图1:分离不同电位的孤立系统的基本概念

单独测量电池电压

分散记录物理参数是目前的最新技术。然而,在对象上记录数据往往是一个挑战,而且数据的无线传输往往是不可能的。数据必须记录在物体上,使探测器不影响要测量的变量;否则,将会发生测量错误。这就要求在电路中实现电气脱钩。此外,数据的有线传输必须是无电位和对称的,以便传输不受电磁耦合和接地环的干扰。在这个应用程序中,有意避免使用微控制器,以证明一个强大的,无干扰的设计可以实现很少努力使用模拟电路技术。

设计分为两个电路:一个发射器和一个接收器。该传感器能够检测到等于30伏的直流电压。 最大值有一秒钟的波动。目前的耗电量最小化了,15V的电力供应是发射机的85MA和接收机的25MA。发射机和接收机都是电隔离的--测量数据采集和信号传输路径之间的发射机,以及信号传输路径和数据输出之间的接收机。采用特殊的直流/直流电源模块和带电流隔离和低寄生耦合电容的数字隔离器实现了电路中的隔离。该信号通过一条双线电缆在发射机和接收机之间传输。根据电磁环境的影响,距离可以是几百米.

发射电路设计

图2显示了发射机的框图。电路分为六个街区:

· 检测:测量传感器与分压器和放大器测量正极性和负极性(1)

· 级转换器:电压-射频转换器级转换器(2)

· 电压-射频转换器:数字输出信号,频率取决于输入电压(3)

· 数字隔离器:测量电位和接口之间的电隔离(4)

· 接口缓冲:低阻线驱动器与平衡输出(5)

· 电源:直流/直流转换器,探测头(6)段的电流隔离转换器

为确保功能可靠性,在探针侧和驱动输出端都提供了瞬态保护和滤波器的措施;在直流/直流电源模块前后也提供了低通滤波器,以有效地减弱射频耦合。

图2:电位无电压测量发射机的框图

接收器电路设计

图3显示了接收器的框图。电路分为五个街区:

· 输入缓冲区:信号接收,信号调节与均衡输入.链接检测器指示是否与发射机(1)有可检测的连接。

· 数字隔离器:输入信号与二次信号处理/输出接口之间的电流隔离。输入侧缓冲区(2)的额外电流隔离电压。

· 频率到电压转换器:从数字信号产生输出电压。电压水平取决于输入信号(3)的频率.

· 具有极性显示的接口缓冲:输出信号的电平转换器.输出信号具有正极性,极性指示器显示输入信号(4)的极性。

· 电源:用于二次电源(5)的直流/直流转换器。

在接收人一节中也提供了许多紧急情况控制措施。从绕对电缆上输入的信号具有瞬态保护和共模滤波器,可以有效地减弱电缆上的干扰。它周围的电力供应 直流转换器 在输入端和输出端均配备了低通滤波器,以显著减少直流/DC转换器开关操作所引起的来自电路内外的电磁干扰。这确保了高信噪比和高水平的功能可靠性。

图3:电位无电压测量接收机的框图

电容式数字隔离器

数字隔离器来自于 由主侧的振荡器和调制器组成。第二方是解调器和信号缓冲区。主侧的组件通过电容式结构与次级侧的组件电隔离,该电容式结构由硅氧化硅制成的隔离屏障 .该信号通过隔离屏障传输,采用的是一种被称为"开锁"(OOK)的调制过程。集成到芯片中的振荡器被用来调节输入信号,通过施密特触发器运行。调制器产生一个差动信号,通过电容绝缘线路传输。

在数字隔离器的世界中已经建立了两种通信结构:基于边缘的和OOK的。原则上,它们可以被视为等同的方法。然而,根据应用程序需求,两个架构之间的差异会影响决策。

在基于边缘的体系结构中,一旦数据信号被激活,就不再采样输入和输出状态。在发生电源故障或数据信号故障时,这种行为可能导致错误。因此,基于边缘的方法需要集成刷新电路,以便在这些条件下最大限度地减少错误风险,并扩大输出时的输入状态。

通过OOK,输入变量被连续采样并通过隔离屏障传输。由于输入的连续采样,如果供应或输入信号发生意外变化,输出中不会出现任何错误。对OOK来说,不需要额外的更新电路,就像对边缘的一样。

因此,两种方法的第一个区别是能耗。基于边缘的架构消耗较少的能源,因为它只被采样一次,而Ook则需要永久性的能源。

第二个差异点是OOK调制方案在噪声和瞬态行为方面提供了固有的优势,具有更高的cmti值,并且由于连续采样而增加了数据速率的好处。

概述:

· 基于边缘的架构:损失减少,数据速率降低

· 开锁:故障安全性、改进的CMI和更大的噪声行为

图4说明了电路块。该解调器位于该隔离器的第二侧,具有放大、滤波和重建输入信号的功能。最小化信号延迟和信号失真.最后,缓冲区将信号从解调器输出路由到总体输出,从而缓冲区将信号放大到所需水平。

图4:数字隔离器CDS18012X15411X的框图

安全第一!在紧急情况下,数字隔离器应该保护人们免受危险电压的影响。

因此,它们必须满足最高的安全性和耐久性要求。德国VDER公司根据最新和要求最高的标准认证了CDIP和CDIS系列数字隔离器,该标准是DINEIN60747-17(VDED088-17):2021-10"用于基本绝缘和强化绝缘的磁和电容耦合器"(见表1)。

参数IEC 60747-17 (VDE 0884-17)

Table 1: IEC 60747-17 (VDE 0884-17)

但是,"基本"和"强化"这两个术语对于一个人的安全意味着什么呢?这个标准本身只给出了一个相当抽象的定义--请参阅国际标准委员会第60747-17:202X:

我们什么时候选择基本隔离还是强化隔离?简而言之,"单一故障情况"和"正常运行情况"在这里是重要的。强化绝缘保证在正常操作中即使在单一故障情况下也能防止电击。基本绝缘只有在正常操作中才有效,即:,不考虑单一的过失。

线性转移特性

图5显示了被测电压与输出时显示的电压之间的关系。整个输入电压范围从-30V到30V的传输特性几乎是线性的。所显示的设计包括发射机和接收机的电路板连接通过一个绕对电缆,因此是一个合适的解决方案,以电流隔离数据采集和传输。

图5:从发射机输入到接收机输出的传输特性几乎是线性的,整个输入电压范围从-30V到30V。