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  • 隔离器有哪些优势?如何选择合适的隔离器?

    隔离器有哪些优势?如何选择合适的隔离器?

    以下内容中,小编将对隔离器的必要性、隔离器的优势以及隔离器的选择标准的相关内容进行着重介绍和阐述,希望本文能帮您增进对隔离器的了解,和小编一起来看看吧。 一、使用隔离器的必要性 首先,我们来看看什么是隔离器以及使用隔离器的必要性。 隔离器是一种采用线性光耦隔离原理,将输入信号进行转换输出。输入,输出和工作电源三者相互隔离,特别适合与需要电隔离的设备仪表配用。隔离器又名信号隔离器,是工业控制系统中重要组成部分。 隔离器从原理上一般分为三类:光电隔离器,电感式隔离器和电容隔离器。习惯上将第一类称为光耦,后面两类称为隔离器。这三类隔离器应用广泛,各有优缺点,其主要厂商都不断投入新的研发以获得更大市场份额。光耦方面,Avago、Vishay、Toshiba、松下、NEC,以及台湾冠西、佰鸿等都是行业翘楚,尤以Avago占市场优势地位。隔离器市场则以ADI、NVE、TI、Silicon Labs等厂商占主力。 在工业生产过程中实现监视和控制需要用到各种自动化仪表、控制系统和执行机构,它们之间的信号传输既有微弱到毫伏级、微安级的小信号,又有几十伏,甚至数千伏、数百安培的大信号;既有低频直流信号,也有高频脉冲信号等等,构成系统后往往发现在仪表和设备之间信号传输互相干扰,造成系统不稳定甚至误操作。出现这种情况除了每个仪表、设备本身的性能原因如抗电磁干扰影响外,还有一个十分重要的因素就是由于仪表和设备之间的信号参考点之间存在电势差,因而形成“接地环路”造成信号传输过程中失真。因此,要保证系统稳定和可靠的运行,“接地环路”问题是在系统信号处理过程中必须解决的问题。 二、如何选择数字隔离器 如何在设计中选择合理和适用的数字隔离器,周晓奇给电子工程师们提出了几点建议: (一)要了解自己的应用中的隔离强度需求: A. 实际应用中的工作电压为多少?什么样的电网条件? B. 实际的应用环境是怎样的? C. 在该应用中采取的隔离保护级别是怎样的?保护对象是怎样的类型? D. 该应用应该符合哪个具体国际安全规范? (二)了解自己对隔离器工作速度和接口的要求: A.在该应用中的最高速率是多少? B.一个封装中需要多少个通道? C. 在该应用中的时序要求,例如信号延迟的要求。 D. 是否需要集成其他功能。 (三)价格。 (四)在选择好数字隔离器后,在PCB布板时仍然要谨慎考虑耐高压的安规需求。 三、隔离器优点 在各个过程环路中使用信号隔离办法可以用DCS或PLC等隔离卡件或者现场带隔离的变送器(部分设备可以做到),也可以使用信号隔离器来实现。比较起来,用信号隔离器有以下优点: ● 绝大部分情况,采用信号隔离器+非隔离卡件比采用隔离卡件便宜。 ● 信号隔离器比隔离卡件在隔离能力、抗电磁干扰等方面性能更加优越。 ● 信号隔离器应用灵活,而且它还有型号转换和 信号分配功能,使用起来更加方便。 ● 信号隔离器通常有单通道、双通道、一入二出等通道形式,通道间相互完全独立,构成系统的配置、日常维护更加方便。 智能隔离器的说明: SKGL型智能隔离器是将输入单路或双路的电流或电压信号,变送输出隔离的单路或双路线性的电流或电压信号,并提高输入、输出、电源之间的电气隔离性能。 以上便是小编此次带来的有关隔离器的必要性、隔离器的优势以及隔离器的选择标准的全部内容,十分感谢大家的耐心阅读,想要了解更多相关内容,或者更多精彩内容,请一定关注我们网站哦。

    时间:2021-03-22 关键词: 隔离器 信号隔离器 数字隔离器

  • 值得学习的数字隔离器选型的常见的一些方法

    值得学习的数字隔离器选型的常见的一些方法

    随着社会的快速发展,我们的数字隔离器也在快速发展,那么你知道数字隔离器的详细资料解析吗?接下来让小编带领大家来详细地了解有关的知识。 隔离器主要是用在隔离高压(危险电路)系统和低压(安全电路)系统之间的电气连接,以保护用户以及电路系统安全,以及隔离敏感电路(比如高精度检测电路)和噪声源(例如大功率开关电源)之间的连接,以减小噪声干扰。 数字隔离器是电子系统中,数字信号和模拟信号进行传递时,使其且具有很高的电阻隔离特性,以实现电子系统与用户之间的隔离的一种芯片,多采用光耦、磁隔离和电容隔离来实现,但其功耗、速度、隔离电压等方面往往不能达到最优。 隔离器的主要结构大致有四种: 一是传统光电耦合; 二是集成式变压器(磁耦合);三是集成式电容耦合; 四是分立式变压器耦合。最常用的是光耦合器,光耦合器一般由三部分组成:光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管(LED),使之发出一定波长的光,被光检测器接收而产生光电流,再经过进一步放大后输出。它的主要优点是单向传输信号,输入端与输出端完全实现了电气隔离,抗干扰能力强,使用寿命长,传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。 输入的电信号驱动发光二极管(LED),使之发出一定波长的光,被光探测器接收而产生光电流,再经过进一步放大后输出,这就完成了电-光-电的转换,从而起到输入、输出、隔离的作用。 随着近几年数据传输的速度不断提升,传统的光耦合器也暴露出一些缺点,例如,整个电路体积大,集成度不高,而且光电耦合器件本身具有易损耗、速度较慢(一般的数据速率低于1Mbps)、耗电量大等缺点,特别是在温度和老化变化过程中的性能极不稳定,为其应用带来局限,特别是在工业应用中这些问题就比较突出。为了克服光电隔离技术的诸多缺点,许多半导体公司开始研发不发光的隔离器解决方案。周晓奇告诉记者,ADI公司是最早一家推出新型数字隔离器解决方案的公司,并于2001年率先推出基于其专有iCoupler磁耦隔离技术的标准数字隔离产品。 了解数字隔离器三个关键要素的特点及其相互关系,对于正确选择数字隔离器十分重要。这三个要素是:绝缘材料、结构和数据传输方法。 iCoupler 技术是基于芯片尺寸的变压器,每个iCoupler通道都由两部分组成:CMOS接口电路和芯片级变压器。而iCoupler隔离变压器的核心正是这个能够穿越隔离阻障并发射与接收信号的平面变压器,它们不仅能够提供隔离,而且消除了光耦合器中光电转换的缺点,包括功耗过大、较大的时序误差和数据速率受限等。事实上,由于无需驱动LED 的外部电路,iCoupler数字隔离器功耗仅为光电耦合器的1/10~1/50。 数字隔离器采用晶圆CMOS工艺制造,仅限于常用的晶圆材料。非标准材料会使生产复杂化,导致可制造性变差且成本提高。常用的绝缘材料包括聚合物(如聚酰亚胺PI,它可以旋涂成薄膜)和二氧化硅(SiO2)。二者均具有众所周知的绝缘特性,并且已经在标准半导体工艺中使用多年。聚合物是许多光耦合器的基础,作为高压绝缘体具有悠久的历史。 iCoupler隔离变压器可实现数千伏(5000V) 的隔离,其高耐压的关键在于发送和接收变压器的顶层和底层线圈之间,采用厚达20 μm 的聚酰亚胺材料作为隔离层,在4 mm×4 mm芯片上集成了4个变压器(图1)。这种新型数字隔离器的优势主要体现在:一,传输速度更快,远高于传统光耦,高达150 Mbps。二,静态/动态电流更小。三,寿命更长,在耐高压和耐击穿的使用范围内寿命甚至可达50年。四,可以集成标准CMOS工艺下的其他功能。五是可以在芯片内部实现隔离电源,并具有更小的体积和厚度。 数字隔离器使用变压器或电容将数据以磁性方式或容性方式耦合到隔离栅的另一端,光耦合器则是使用LED发出的光。 iCoupler隔离器的工作原理是,当数字隔离器的输入端接收到信号的上升沿或者下降沿时,会将这些信号编码成双脉冲或者单脉冲,并通过集成变压器传递到另一侧。同时通过解码器将这些脉冲信号还原成和输入信号相同的波形。与此同时,iCoupler数字隔离器还集成了看门狗电路,当信号长时间不发生变化时,输入侧的更新电路也会定时发出相应的脉冲信号到输出端,如果输出端的看门狗电路长时间没有收到任何信号,会认为输入端进入异常状态,此时,输出端的输出信号会回到预先设定的默认值(图2)。 光耦合器使用LED发出的光将数据跨越隔离栅传输-LED点亮时表示逻辑高电平,熄灭时表示逻辑低电平。当LED点亮时,光耦合器需要消耗电能;对于关注功耗的应用,光耦合器不是一个好的选择。多数光耦合器将输入端和/或输出端的信号调理留给设计人员实现,而这并不一定是非常简单的工作。 从2001年,ADI推出第一款iCoupler隔离器产品,现已有10大系列、100多个种类,是目前业界种类最齐全的隔离器产品,包括标准数字隔离器、采用iso Power的数字隔离器、集成PWM控制器和变压器驱动器的数字隔离器、USB 2.0兼容型隔离器、隔离式门驱动器、隔离式I2C数字隔离器、隔离式RS-485收发器、隔离式RS-232器件和隔离式Σ-Δ型ADC等。可以说,几乎任何应用都可以找到一款合适的iCoupler产品来满足您的设计需求。 以上就是数字隔离器的有关知识的详细解析,需要大家不断在实际中积累经验,这样才能设计出更好的产品,为我们的社会更好地发展。

    时间:2020-11-09 关键词: 选型 隔离器 数字隔离器

  • 交流电压电机驱动的数字隔离

    隔离是交流电压电机驱动不可分割的一部分。电气隔离的方法有多种——主要采用光耦合器和数字隔离器。使用数字隔离器与传统的光耦合器相比具有数种优势——其中包括成本更低、元件数量更少、可靠性更强。本文以传统电机控制器设计为基础,对几种隔离方法进行比较,以突显数字隔离器的优势。 光耦合器与数字隔离器的背景知识 光耦合器使用LED发出的光将数据通过隔离栅传输到一个光电二极管。当LED开启和关闭时,将在电气隔离光电二极管一端产生逻辑高和低信号。光耦合器的速度与光电二极管检波器的速率以及为其二极管电容充电的时间直接相关。提升速度的一种方式是提高LED电流,但其代价是功耗的增加。 而基于变压器的数字隔离器借助变压器以磁性方式将数据通过隔离栅进行耦合。变压器电流脉冲通过一个线圈,形成一个很小的局部磁场,从而在另一个线圈生成感应电流。变压器的传输速率自然比光耦合器快很多。而且变压器为差分架构,具有出色的共模瞬变抗扰度。另外,由于数字隔离器基于变压器,而光耦合器则基于LED,因此,数字隔离器的可靠性/MTTF要远远优于光耦合器。 电机驱动设计中的隔离 图1所示为Boston Engineering Corporation开发的高电压FlexMC电机控制驱动的框图,它能与ADSP-CM40x混合信号控制处理器对接。它接收一个通用交流输入,提供一个功率因数校正(PFC)前端,驱动一个永磁同步电机(PMSM),并为一个带传感器或不带传感器的控制装置提供必要的反馈调理,此装置运行于ARM® Cortex™-M4混合信号控制处理器ADSP-CM40x及一个16位高精度模拟前端。中间部分是一个隔离栅,位于高电压电源电子元件和控制器之间。电机电源电子元件随高电压电势而浮动,而ADSP-CM40x处理器则以接地为基准,因此需要进行隔离。本文将讨论选择数字隔离器而非光电耦合器将如何改善该设计。 在闭环电机控制设计中,两个关键的硬件构成为脉冲宽度调制(PWM)控制器输出和电机相位电流反馈。这些信号(如框图所示)通过隔离栅。另外,隔离器的使用还可惠及几种其他功能,包括数字通信和低电压、低功耗和隔离DC-DC转换。 PWM隔离 对功率级进行脉冲宽度调制,这是所有电机驱动的核心所在。开关频率范围一般为10 kHz – 20 kHz。在优化控制性能时,对脉冲宽度、停滞时间和通道间延迟的精密控制显得至关重要。在为PWM控制信号选择适当的隔离器件时,数字隔离器在性能和成本两个方面都要远远优于同级别的光耦合器选项(见表1中的比较)。 例如,控制器将在开关信号之间引入停滞时间,以防止任何高端和低端晶体管对同时传导(即直通)。停滞时间为功率开关的开启和关闭延迟以及隔离电路所致延迟的不确定性的函数。ADuM1310数字隔离器的通道间匹配时间仅为2 ns,光耦合器则高达500 ns。采用数字隔离器可以大幅缩减停滞时间,从而提高功率逆变器的性能。另外,如比较表中所示,除了性能以外,ADuM1310还是一种集成度更高的解决方案,可以减少元件数量和物料成本。 电机相位电流 多数高级电机驱动以电机相位电流为主反馈。为了提供连续的反馈,将超低电阻分流电阻与电机相位串联起来。然而,这会增加电路的复杂性,因为需要测量毫伏级的信号以及以快速dv/dt高频切换的百伏级共模电压摆幅。对于这种设计,两个AD7401A隔离式Σ-Δ调制器用来测量电机绕组电流,数字位流则由ADSP-CM40x上的数字过滤电路进行处理。ADSP-CM40x的内置sinc滤波器允许与隔离式Σ-Δ型调制器实现无缝连接。第三相电流可以基于另外两相电流以数学方法计算得到,以减少功耗、降低元件成本。AD7401A在单封装中集成了一个差分采样保持级、一个Σ-Δ调制器和数字隔离机制。高电压端模拟信号被转换成一个数字串行数据流,然后通过隔离栅传输至低电压端。AD7401A还含有一个时钟输入引脚,只需一个时钟源,即可同时对各器件进行测量。正如表2所示,市场上的确存在集成度和成本类似的光耦合器;然而,数字隔离器技术在功耗、速度和可靠性方面的表现仍然更加突出,这是与器件的基础结构相关的,更不用说AD7401A出色的调制器性能。 数字通信 I2C是一款双线、多分支通信接口,通常用于为控制器提供数字或模拟I/O扩展能力。这种方法通常是定期监控或更新的“一般管理”类功能的预留方法。FlexMC高电压电路板采用一个I2C接口来与PFC控制器进行通信,同时以一个ADC来监控总线电压、总线电流和IGBT温度。相反,没有一款光耦合器能够单独提供I2C隔离能力。结果,如表3所示,ADuM1250在成本、尺寸、元件数量和性能方面都是比光耦合器更具优势的I2C隔离选择。ADuM1250允许ADSP-CM40x控制器仅仅使用一个双线外设接口通过一个隔离器对高电压端的所有这些功能进行监控。 隔离电源 数字隔离器技术给这种设计带来的另一优势在于可以产生超低电平的隔离电源。两个ADuM5000器件用于产生5 V隔离电源,具备最高500 mW的功率输出能力。这些用于驱动Σ-Δ转换器的模拟端,后者会随快速变化的电机电压而浮动。这些隔离电源与数据隔离器采用相同的技术,因此,它们都内置了一个开关频率为180 MHz的变压器。这一频率比标准DC-DC转换器高出三个数量级,因而允许大幅缩减尺寸。ADuM5000器件采用SOIC-16封装,是提供低功率隔离电压的一种简便方案。 作者:Gaetano (Guy) Fichera 来源:Boston Engineering Corporation 免责声明:本文内容由21ic获得授权后发布,版权归原作者所有,本平台仅提供信息存储服务。文章仅代表作者个人观点,不代表本平台立场,如有问题,请联系我们,谢谢!

    时间:2020-10-08 关键词: 电机 数字隔离器

  • 为适应数字隔离器传播延迟 CAN节点位时序大升级

    为适应数字隔离器传播延迟 CAN节点位时序大升级

      控制器局域网(CAN)由ISO 11898标准定义,广泛用于工业和汽车应用中。CAN协议(比如DeviceNet或CANOpen)依赖内置的错误检查和差分信号采样。电流隔离可进一步增强鲁棒性,能够抗高压瞬变,但会增加传播延迟。CAN节点经过优化配置,哪怕存在隔离时也具有最大数据速率和传送距离。   为什么传播延迟很重要?   传播延迟会影响节点间的并发传输和仲裁。冲裁依赖于CAN信号发送;逻辑0表示“主动”(总线间的差分电压),逻辑1表示“被动”(全部输出为高阻抗),意味着主动位将覆盖被动位。发射时,所有节点监控总线;而发射被动位时则停止,从而允许另一个节点赢得仲裁(图1中的节点A)。      图1.两个节点间的仲裁   传播延迟不可过大,否则可能在其他节点传播主动状态之前会监控总线状态。对于图2中的节点A和节点B,往返时间很关键;该时间等于TPropAB加 TPropBA,或者等于通过电缆和收发器延迟时间的两倍,包括隔离(如有)。相比光耦合器,数字隔离器可降低传播延迟,但系统允许的总传播延迟是固定的,因此加入隔离可能会降低最大电缆距离。      图2.带传播延迟的仲裁   传播延迟补偿   若要补偿隔离引起的传播延迟,可调节特定的CAN控制器参数。首先为CAN控制器时钟设置波特率预分频器(BRP)值,该值定义划分位时间的“时间量子” (TQ)。它们适用于3或4段,如图3所示;一个用来同步,另外数个用于传播延迟(PROP)以及相位段1和2(PS1和PS2)。PS2和总TQ表示采样点位置。   第一步:匹配时钟、预分频器和数据速率   对于给定的数据速率来说,第一步是检查如何组合时钟和BRP,才能让TQ等于整数。1 Mbps示例如表1所示。该例采用ADI ADSP-BF548 Blackfin微处理器,内置CAN控制器。采用典型系统时钟(fsclk)值,TQ整数值以粗体显示(用于1 Mbps的有效时钟/BRP组合)。      表1.用于1 Mbps的时钟和BRP组合   第二步:位段配置   下一步是定义位段,并将采样点设得尽可能晚。对于表1中的每一个有效选项,SYNC段必须允许有一个TQ,并且TSEG2 (PS2)段必须适应CAN控制器处理时间(只要BRP大于4,BF548就要低于1 TQ)。TSEG1 (PROP + PS1)为16 TQ(最大值)。      图3. 1 Mbps时最大传播延迟的可能BF548位段   第三步:计算总线长度   图3显示1 Mbps的尽可能最新采样点时,ADSP-BF548的可能配置。除5 TQ总和外的所有配置均为至少85%采样点,但10 TQ时可达最佳值,此时要求fsclk = 50 MHz且BRP = 5.   最后一步是确定最优配置下的最大传播延迟,并决定所选CAN收发器/隔离的可能电缆长度。对于图4中处理器的最佳配置,可能的最大传播延迟为900 ns.      图4.采用ADM3053的隔离式CAN节点,集成isoPower   图1中的ADI ADM3053集成CAN收发器、数字隔离器和隔离式电源。250 ns环路延迟包括隔离器延迟(两个节点为500 ns)。假定电缆传播延迟为5 ns/m,这意味着采用BF548,则总线长度可达40 m(根据ISO 11898标准的1 Mbps最大值)。   结论   隔离可增加鲁棒性,但同时也会增加发送和接收两个方向的传播延迟,并且仲裁时针对两个节点而加倍。为了补偿延迟,可针对可能的最大传播延迟配置CAN控制器。这样,就有可能实现所需的数据速率和总线长度,哪怕是隔离节点的情况下。

    时间:2020-09-01 关键词: can adm3053 传播延迟 数字隔离器

  • 为什么使用开关键控数字隔离器?

    为什么使用开关键控数字隔离器?

    为什么需要隔离? 工业和消费电子领域很多地方存在危险电压。必须采取措施保护人员和设备,以免受到长期电位差和暂时过压条件或故障的损害,并且确保满足地方和全球的安全法规。 iCoupler技术:最大程度地消除隔离相关弊端 新的iCoupler技术可将隔离相关的损失降至最低。 隔离器将A点与B点隔离开来并允许信息流动,但不会有电流流过隔离栅。 相关应用特点:安全、高压、长距离和精密通信等。 传统上使用光耦合器, 但它有一些问题, 例如:会磨损, 吞吐速率低,耗电量大,封装尺寸很大。 相比之下,iCoupler变压器隔离尺寸较小,成本较低,性能更高,功耗更低。 您可以集成其他功能,这种隔离安全可靠。 隔离器可通过四个特性来定义。 * 绝缘材料。可以是聚酰亚胺或二氧化硅。 * 耦合元件。可以是LED、变压器或电容。 * 数据传输。它可以是边沿编码、开关键控或脉宽调制。 * 封装。其特性有材料等级、爬电距离和电气间隙等。 数据传输如何影响隔离器性能 哪些因素决定隔离器的电气性能? 编码。在编码中会有一些编码开销,编码可以是电平编码或脉冲编码。 这涉及到延迟和速度性能。 传输。传输效率取决于它是光、磁场或电感还是电场或电容。这影响的是功耗或速度性能。 接收器的效率。接收器可以是光电晶体管或PIN二极管、芯片级电感或差分电容。 功耗和延迟会受到影响。 解码器。数据解码会有一些开销;对于光耦合器,它可能是放大或偏置。 对于数字隔离器,它是数据处理或时间。 功耗和延迟性能可能会受影响。 数据传输的演化 数据传输在发展,编码方案也在不断发展,但未必会消失。 每种方法都有优点和缺点。 并不存在灵丹妙药。 针对新产品要求而选择和定制的方案可能会使用一段时间。 左下方所示为光耦合器,是最原始的隔离器,随后是较新型的数字隔离器ADuM140x或单端耦合器,接着是ADuM144x,它采用单端脉冲编码,具有微功耗特性。 再后面是ADuM128x,采用差分脉冲编码,我们将会进一步讨论它,还有ADuM14x,采用差分开关键控,是一种非常鲁棒的隔离器。 最后是右上方的ADN4651,它采用差分脉冲编码,提供超快传输速度。

    时间:2020-08-13 关键词: 开关键控 数字隔离器

  • 利用集成式工业接口数字隔离器减少尺寸与成本

    据外媒(PCWorld)报道,或许iPhone 8是苹果在中国再创伟绩的下一个大招。根据Canalys的分析,当前的iPhone没能帮助苹果在中国获得市场份额。像中国和印度这样的市场是苹果公司发展iPhone业务的首要关注对象。 中国占全球智能手机出货量的1/3。根据Canalys,中国买家更倾向于华为、Oppo、Vivo和小米这样的本土品牌,这四家品牌也在去年霸据了中国手机市场的前四名。 苹果位列第五。而三星并未能进入前五名。 2016年,苹果手机在中国出货总计4380万部,比2015年下降18.2%。2017年迄今数据也未有好转迹象。 “今年苹果的前景仍然暗淡,在中国的表现难再难回到2015年时的全盛期。”Canalys分析师Jessie Ding表示。 中国市场的下滑对苹果全球出货量影响严重,综合起来让iPhone全球出货量下降了约7%。 不过中国买家正“对十周年版iPhone翘首以盼”,Ding说。 iPhone 8可能会成功,但一款手机可能无力改变中国买家选购本土品牌的长期趋势。 在许多中国小城市,华为、Vivo和Oppo卖的很好。同时这些品牌也在为反攻大城市市场进行大量投资,对苹果构成进一步的威胁。 苹果在印度也面临着类似的困境。iPhone的品牌知名度仅限于城市地区,其售价对于大部分人来说都过于高昂。苹果最近开始在印度组装生产iPhone。 许多中国品牌今年推出了主打相机和屏幕的新手机,在今年CES上有两项的华为Mate 9 Pro便是其中代表。华为是全球知名的网络设备制造商,同时它也像三星和苹果一样生产自己的芯片。 如乐视等其他中国本土品牌也开始谋求国际化发展。乐视甚至抢在苹果前头率先发布了取消耳机孔的超薄手机。 中国三大智能手机厂商彼此之间也在进行紧张竞争。华为在2016年出货量为7620万部,Oppo出货7320万部,而Vivo也有6320万部。小米的市场份额下降了约21%,达到5140万部。 本周IDC发布的一项调查还显示,iPhone在中国市场份额下滑。IDC将苹果排在第四的位置,在小米之前。IDC称中国智能手机2016年总出货量为4.67亿部,增长了8.7%。但与此同时苹果的出货量下降了23.2%,总计只有4490万台。根据IDC的统计,Oppo、华为和Vivo占据了中国智能手机厂商前三强的席位。

    时间:2020-08-13 关键词: i2c总线 数字隔离器

  • 构建固态继电器解决方案采用光耦合器还是数字隔离器?

    构建固态继电器解决方案采用光耦合器还是数字隔离器?

    即用型固态继电器(SSR)可靠且紧凑,但很难找到一款电流传导能力高于几百毫安的产品。比如,若您需要一款隔离SSR来切换线路电压,那么您不得不采用功率FET自行构建一个SSR。您可以采用光耦合器来提供控制和FET栅极之间的电流隔离,但在隔离侧,光耦合器从哪才能获取足够的功率来驱动FET栅极呢? 下图显示如何采用数字隔离器构建SSR。该器件提供两个数据通道,可驱动两个FET栅极,每通道能为容性负载提供最高20 mA的电流。ADuM521x采用isoPower技术,属于集成隔离式DC-DC转换器,为次级端提供足够的功率,以较高的饱和速率和良好的栅极压摆率切换分立式功率FET栅极。 将数字隔离器的高功率与信号驱动能力相结合,即可控制大电压和电流。对FET的基本要求是其栅极阈值电压应低于器件提供的5V电压。任何其他的电流和电压组合都只受限于所选的FET。 上述示例电路采用IRF540N N沟道HEXFET构建,栅极电阻为250 Ω。FET的背靠背配置可在器件导通时提供0V阻抗线性度,而在器件关断时提供对称电压阻隔。如果需要常闭继电器,可以使用P沟道FET。本电路可在高达100V电压的情况下切换30A电流,导通时间约为20uS。相比基于光耦合器的SSR和机械继电器,该速度极快。 数字隔离器具有最高5.5V的可调输出电压的额外优势,为栅极驱动阈值提供更多裕量。图中未明确显示设置输出电压的分频器。详情请参见数据手册。 此基于isoPower的继电器可调制kHz范围内的功率,其速度足够快,可实现白炽灯泡的调光功能,或者为直流电机提供速度控制功能。采用合适的FET,可以轻松构建线路功率开关。这款功能丰富的开关能以低于SSR模块或光电MOS元件的成本构建而成。

    时间:2020-08-13 关键词: 光耦合器 固态继电器 耦合器 数字隔离器

  • 在恶劣的电机驱动环境中使用鲁棒的数字隔离器

    在恶劣的电机驱动环境中使用鲁棒的数字隔离器

    简介 在恶劣的电机应用环境中,需要鲁棒的数字隔离器。由于环境非常糟糕,应用要求能够抵御高压瞬变,防止数 据受扰,并且消除高压电压力对隔离器隔离寿命的影 响。此类应用的典型隔离解决方案是光耦合器,其内部 绝缘层很厚,可以承受高压。光耦合器的缺点是要使用 发光二极管(LED),其光强度会随着时间推移和温度变化 而降低,这就会带来设计和可靠性问题。新型且更鲁棒 的数字隔离器不使用LED,消除了可靠性问题,改善了绝 缘能力,可与光耦合器相媲美。这种数字隔离器的优势 是对高压瞬变的抗扰度更强,能够更好地满足电机控制 应用的要求。本文将详细说明此类新型数字隔离器的工 作原理,以及在上述应用中其先进的功能如何胜过光耦合器。 应用 根据应用的性能和功率水平,以及具体的控制和隔离方案,电 机驱动有各种各样的系统设计。图1所示为逆变器或低端电机驱动器常用的隔离通信框图。在该系统中,控制器电位与功率 级相同,通信接口被隔离,因为这通常是一个较低速度且较简单的接口。在此类系统中,功率逆变器可能具有低端栅极驱动 器,这些驱动器不需要隔离,因为其与电机控制模块共享同一 接地。高端驱动器可以隔离,但也可以使用电平转换之类的技术,尤其是当功率逆变器电压不是太高时。在此框图中,电机控制器不使用隔离,直接连到逆变器反馈。当功率水平较高时,使用这种架构会有局限性。开关信号在电机上产生的额外 噪声可能会淹没用来监测电机电流的反馈信号,进而可能引起电机失控。 图1. 隔离通信电机控制框图 对于较高性能驱动,例如工业电机和火车牵引电机中使用的大 型多相驱动,将会需要隔离控制和通信,如图2所示。在此系统 框图中,出于抗噪和提高通信速度的原因,控制和通信均位于 隔离栅的安全侧。因为电机控制模块位于隔离栅的安全侧,所以全部栅极驱动器都需要隔离。特定隔离电压和安全要求由具 体架构和隔离栅位置决定。 图2. 隔离控制和通信电机控制框图 在框图中,逆变器反馈用来帮助控制电机驱动,是电机控制最重要的方面之一。如图所示,逆变 器反馈连接到三相交流电机的两相中的电流测量节点iV和iW。在 隔离控制和通信系统图中,逆变器反馈必须跨隔离栅连接,故 而这里也需要隔离。在许多高功率电机应用中,架构会要求对 三相电机的高电压进行增强隔离,防止用户接触到高电压。此 类增强隔离应用具有极大的隔离电压要求,可能需要隔离器增大内部绝缘厚度(取决于材料)。 绝缘 隔离器的绝缘能力是指其在工作寿命中耐受高压的能力。在相 同的环境条件、电压瞬变和电压波形下,不同类型的隔离材料 具有不同的绝缘能力。光耦合器由于绝缘层厚,耐压能力强, 并且具有数十年的现场使用历史,成为业界惯用的经典高压隔 离器。光耦合器使用模塑料作为绝缘介质,塑料成型工艺可能 会在绝缘层中产生空隙,这会造成部分放电并引起绝缘失效。 由于这个原因,认证机构对绝缘高压测试的要求会包括部分放 电测试。与光耦合器不同,数字隔离器利用内部绝缘层作为原 边隔离栅,这些绝缘层是在界定明确且高度受控的半导体制造 工艺中生产的。这就消除了绝缘中的空隙,绝缘结构变得简单 得多,而且更为鲁棒。数字隔离器不使用LED,不存在LED可靠性问题。随着工艺改进,绝缘层厚度和组成越来越优化,数字隔离器也就更加鲁棒。某些数字隔离器使用薄层二氧化硅来产 生高介电强度绝缘,这已广泛用作半导体芯片上的绝缘体。二氧化硅绝缘的缺点是它与IC构成一个整体,IC受损时,隔离也 可能受损。使用聚酰亚胺绝缘可克服二氧化硅的这种限制,聚 酰亚胺半导体工艺已使用数十年,可帮助实现强健可靠的集成电路。聚酰亚胺内部绝缘属于后期处理,具有独立的完整性。 如果IC受损,独立的聚酰亚胺绝缘仍会完好无损。分多层制造 时,聚酰亚胺可用作电机驱动应用可能需要的增强绝缘。使用数字隔离器的工程师需要制造商提供全寿命数据,以证明器 件的时间、温度、湿度和电压性能能够应对取代光耦合器的挑战。 环境 电机控制应用的环境条件可能包括极端温度和湿度。以列车牵 引电机为例可以说明其中的一些极端情况。假设机车发动机在寒冷的冬日里牵引着一长串满载车厢在山区铁轨上行驶。环境温度可能低于?40°C,电机暴露在严寒的室外空气中,这时列车进入一条长长的隧道,由于发动机产生的热量,电机和发动机 周围的温度可能会迅速上升。电机及其绝缘体必须能在这种极 端温度下工作,而且能克服时间推移和温度变化带来的不利影 响。众所周知,光耦合器的性能会随着温度变化而降低,其内部LED产生的光量和检测器获得的输出信号会随着时间推移和温 度变化而减少。用作多通道隔离器时,光耦合器的通道间失配 会随着时间推移而增大。相比之下,数字隔离器不依赖于检测内部LED的信号,而是利用半导体IC工艺制造可靠的电路,由此 跨越隔离栅收发数字信号。 数字隔离器 数字隔离器结构和技术如图3中的示例框图所示。根据具体架构,数字隔离器响应输入逻辑电平或输入脉冲。可使用不同方 法编码和解码信号,以便跨越隔离栅收发逻辑数据。脉冲编码 技术如图4所示,其优点是当编码和解码脉冲之间的时间较长 时,低数据速率下消耗的电源电流较低。载波技术如图5所示, 即所谓开关键控(OOK),其在低数据速率时消耗的电流多于脉冲 编码方法。在较高数据速率(10 Mbps以上)时,OOK方法消耗的电 源电流少于脉冲编码技术。OOK技术相比于脉冲编码技术的优 势在于,OOK技术的逻辑更简单,故而传播延迟更低,最大数 据速率更高。脉冲编码技术的缺点是:如果外部噪声扰乱了输 出数据,这种状况会持续一微秒或更长时间,直至内部纠错逻 辑纠正错误或出现新的数据沿。对于电机控制应用,这可能意 味着栅极驱动器开关或反馈控制信号会在一定时间内失控,该 时间足够长,以至于开关电路或电机驱动可能受损。利用OOK 技术,如果电压瞬变扰乱数据,这种扰乱只会在噪声出现的短 暂时间内干扰数据输出,因为信号是被持久不变地驱动的。此 外,由于架构较简单,OOK数字隔离器可以设计得非常鲁棒, 不惧电机控制应用中的电气噪声。 图3. 数字隔离器框图 图4. 数字隔离器:脉冲编码数据架构 图5. 数字隔离器:开关键控数据架构

    时间:2020-08-13 关键词: 电机驱动 光耦合器 数字隔离器

  • 利用数字隔离器技术增强工业电机控制性能

    利用数字隔离器技术增强工业电机控制性能

    隔离类型简介 隔离用户及敏感电子部件是电机控制系统的重要考虑事项。安全隔离用于保护用户免受有害电压影响,功能隔离则专门用来保护设备和器件。电机控制系统可能包含各种各样的隔离器件,例如:驱动电路中的隔离式栅极驱动器;检测电路中的隔离式ADC、放大器和传感器;以及通信电路中的隔离式SPI、RS-485、标准数字隔离器。无论是出于安全原因,还是为了优化性能,都要求精心选择这些器件。 虽然隔离是很重要的系统考虑,但它也存在缺点:会提高功耗,跨过隔离栅传输数据会产生延迟,而且会增加系统成本。系统设计师传统上求助于光隔离方案,多年来,它是系统隔离的当然选择。最近十年来,基于磁性(变压器传输)方法的数字隔离器提供了一种可行且在很多时候更优越的替代方案;从系统角度考虑,它还具备系统设计师可能尚未认识到的优点。 本文将讨论这两种隔离解决方案,重点论述磁隔离对延迟时序性能的改善,以及由此给电机控制应用在系统层面带来的好处。 隔离方法 光耦利用光作为主要传输方法,如图1所示。发送侧包括一个LED,高电平信号开启LED,低电平信号关闭LED。接收侧利用光电检测器将接收到的光信号转换回电信号。隔离由LED与光电检测器之间的塑封材料提供,但也可利用额外的隔离层(通常基于聚合物)予以增强。 图1. 光耦结构

    时间:2020-08-13 关键词: 电机控制 数字隔离器

  • 交流电压电机驱动的数字隔离

    不正确地驱动步进电机很容易导致电机发出“嗡嗡”的噪声和很大的振动。 当驱动步进电机时,如果发现步进电机处于静止状态时,其内部都发出很明显的噪音,有点类似线圈快速变化那种,一般是由于线圈电流过大导致的。对于这种情况,最有效的接决方法是降低电机线圈中流过的电流,具体方法包括:设置驱动器在电机停止时自动半流,减小电机的驱动电流。由于步进电机的工作方式,所以步进电机处于何种状态,其内部线圈都一直有电流变换。 当驱动步进电机动作时,如果发现步进电机噪声和振动很明显,应按如下步骤检查: 1、步进电机和驱动器是否配套,这是很关键的:如果它们并不配套的话,下面的一些步骤的调节细分、驱动电流、速度很可能都是白费力气。 在我自己的使用经历中,就遇到过这种情况,雷赛的电机用一个其他牌子的驱动器驱动,在其它条件一样的情况下,总是会产生很明显的噪声和振动,并带动机械结构发出很大的声响。同样,用雷赛的驱动器驱动一些其他厂家的步进电机,同样会发出很大的噪声和振动。所以建议大家在选用步进电机和驱动器的时候,最好是成套购买,并且要确保买到的是正规产品。现在市面上同一款型号的驱动器,都有很多厂家生产。比如DM542,比较正规的都有安科特和雷赛这些。 2、现在的步进电机驱动器分数字式和模拟式两种,模拟式的驱动步进电机时噪声较大,而数字式的基本没有。其原因大致在于数字式里面增加了一块DSP芯片进行步进电机驱动优化。所以如果要确保噪音和振动尽量小的话,建议选用数字式步进电机驱动器。 3、正确地调节步进电机驱动器的细分和电流,细分越大,电机里的线圈变化幅度也就越小,也就减轻了噪声。细分一般建议设置在8细分及以上,如果使用查表法来实现加减速和匀速时的速度计算、控制,对于一般的MCU,都是很容易胜任的。在保证步进电机有足够的力矩带动负载情况下,也应尽量减小驱动电流,该参数设置得越小,同样电机里的线圈电流变化幅度也就越小。 4、正确设置步进电机加减速度,最高运行速度。实验表明,步进电机在加减速过程中,更容易产生额外的噪声。解决的方法即是在保证步进电机加减速不丢步情况下,可以适当提高步进电机的加减速度。在轻负载情况下,步进电机的加减速应该控制在1S以内,不然会听到很明显的电机加减速时,驱动电流频率改变带来的噪声。设定最高运行速度时,则需要考虑电机力矩是否足够以带动负载,该速度下是否会和连接的机械结构发生共振。

    时间:2020-08-13 关键词: DC-DC 电机驱动 数字隔离器

  • 什么是隔离数字输入?

    什么是隔离数字输入?

    什么是隔离数字输入?虽然隔离数字输入和数字隔离器听起来很相似,但实际上它们之间存在一些显著差异。阅读本博文后,希望您能够轻松分辨出两个隔离功能之间的区别。内部结构数字隔离器充当提供电流隔离数字信号路径的基本(或通常是加强型)功能。来自德州仪器(TI)的隔离结构是电容性的,其绝缘屏障由我们互补的金属氧化物半导体(CMOS)工艺技术构建的两个高压电容器组成。高频载波通过隔离栅从初级侧到次级侧通信,而我们的数字隔离器能够承受高达12.8kV的施加浪涌电压和1.5kV的工作电压,而不会破坏双电容屏障。数字隔离器的一个关键组件是基本或加强型隔离电压。图1:数字隔离器隔离数字输入充当提供从传感器输入或其他输入类型到主机控制器接口的逻辑输出的电流隔离的基本功能。与数字隔离器不同,隔离数字输入的输入级(如图2所示)包括用户设置输入阈值和集成电流限制,允许9V至60V范围内的输入电压转换为逻辑输出。在最简单的形式中,隔离数字输入用作隔离比较器,具有一些易于设计的附加功能。图2:隔离数字输入使用差异数字隔离器通常用于信号路径中的模数转换器(ADC)或数据采集转换器与主机控制器或微控制器(MCU)之间。数字隔离器也常见于给定系统的隔离电源功能中。隔离数字输入专门设计为数字输入接收器,用于可编程逻辑控制(PLC)、电机控制和电网应用,以实现场侧输入和主机控制器之间的接口。隔离数字输入是面向场侧输入,可轻松配置用于汇和源应用。集成电流限值可在较高输入电压环境下最大限度地降低输入的热分布,并通过简易外部电阻设置,以符合国际电工委员会(IEC)61131-2的I、II或III型开关。附加电阻设置输入电压阈值;可使用在线计算器轻松选择电阻。电源差异数字隔离器需要初级和次级侧电源。在图3中,隔离电源为ADC以及连接ADC的数字隔离器的“场侧”供电。图3:ISO7741隔离MCU和ADC通信隔离数字输入仅需要次级侧电源。在ISO1211(图4)和ISO1212隔离数字输入中,场侧由输入供电,因此无需场侧电源。与其他分立解决方案相比,此方案更易于前端设计。图4:ISO1211配置为PLC数字输入模块我们的新型隔离数字输入是TI诸多创新方式中的一个示例。TI正使得全球最强大、最可靠的隔离解决方案变得更容易,更高效。

    时间:2019-06-27 关键词: 隔离数字输入 控制器接口 数字隔离器

  • 有关I2C隔离器的六大设计问题

    有关I2C隔离器的六大设计问题

    我们整理了一些关于隔离I2C设计的FAQ,供您参考。这些见解是根据德州仪器在线支持社区中有关I2C隔离器的常见问题而提供的。希望这些信息能够帮助工程师在设计过程中解决信号和电源隔离的问题。1.什么情况下需要隔离I2C?隔离可防止系统两个部分之间的直流电和异常的交流电,但仍然支持两个部分之间的信号和电源传输。隔离通常能够阻止电气组件或人员遭受危险电压和电流浪涌的伤害;用于保护人员的隔离称为增强型隔离。I2C已成为许多系统中流行的全球标准;因此,隔离I2C已经扩散到大多数高压市场。常见的隔离I2C应用包括:·         网络和服务器电源中的微控制器(MCU)到MCU通信。·         汽车电池管理系统和医疗系统中MCU到模数转换器通信。·         以太网供电系统中的MCU到供电设备控制器通信。·         MCU与电流/电源监控系统的通信。2.是否可以在数字隔离器上连接两个单向信道,以实现I2C通信的双向信道?不可以,连接两个相反方向的单向信道不会产生双向信道。如果用数字隔离器替换隔离I2C器件,数字隔离器将闩锁到单一状态并变得无响应。使用数字隔离器实现隔离I2C总线需要外部组件。有关如何使用标准数字隔离器实现隔离I2C的更多信息,请参阅模拟设计期刊文章“使用数字隔离器设计增强型隔离I2C总线接口。”此外,E2E社区隔离论坛主题中更详细地说明了为什么数字隔离器在双向I2C应用中无外部组件的情况下将闩锁到单一状态。3.ISO1540和ISO1541隔离I2C器件的电流消耗是多少?ISO154x数据手册中的表6.10列出了不带任何上拉电阻的ISO1540和ISO1541的电流消耗。添加上拉电阻时,电阻会消耗额外的电流。例如,在SDA2/SCL2处向器件添加1kΩ的上拉电阻,在SDA1/SCL1处添加10kΩ的上拉电阻,VCC1 = VCC2 = 5 V时,上拉电阻消耗的额外电流将对于SDA1/SCL1为约为5mA,对于SDA2/SCL2约为0.5 mA。对于需要更低功耗的隔离I2C应用,超低功耗ISO7041可以替代ISO7731器件,如模拟设计期刊文章中第2个问题所述。ISO70xx的功耗将比ISO77xx器件提升一个数量级。4.建议什么逻辑高低输入电压电平应用于ISO1540和ISO1541隔离I2C器件?表1列出了ISO1540 and ISO1541器件1侧和2侧输入的推荐逻辑输入电压电平。表1:ISO154x输入电压电平这些输入电压电平适用于I2C数据和时钟信号。欲了解更多信息,请参阅ISO154x数据表中的表6.3。5.为什么ISO1540和ISO1541双向I2C隔离器的1侧上的逻辑低电平输出电压VOL1高达0.8 V?为了实现隔离I2C器件的双向功能,器件需要设计有两个背靠背连接的单向信道,以实现单个双向信道。直接连接两个单向信道会导致锁定情况,两个信道都是低电平。为避免这种情况,1侧输出端的二极管使1侧输出信道的低电平输出看起来像1侧输入信道的高电平。图1显示了二极管的位置。图1:ISO154x简化原理图由于该二极管,VOL1的电压最高可达0.8 V.当2侧检测到2侧为低电平时,1侧将打开场效应晶体管,使二极管导通,产生非零正向电压。ISO154x器件中的阈值经过精心设计,可确保双向信道平稳运行 - 只要VOL和VIL规范符合ISO154x数据表中表6.9.所示的ISO154x器件阈值即可。这种方法已成为业界用于实现双向I2C功能的常见做法。低逻辑电平的非零电压仍将与I2C规范兼容。请注意,这仅适用于VOL1。由于器件的2侧不需要二极管,因此VOL2最大值为0.4 V,这在大多数数字隔离器中很常见。6.如何为I2C隔离器构造隔离型电源?为I2C隔离器构造隔离型电源有几种可选的方法;最佳解决方案须视具体的应用需要而定。一个选择是使用 SN6501这样的变压器驱动器,此种驱动器可用于具有次级侧变压器和可选整流低压差稳压器的推挽式配置(图 2)。SN6501的功率高达1.5 W,可作为隔离型电源。此设备具有高度灵活性,几乎可用在所有应用中。这是因为变压器和匝数比能为电源提供必要的隔离等级和输出电压。如果您需要为其他设备提供隔离电源,则可使用SN6505而不是SN6501,获得高达5 W的输出功率。SN6505具有额外的保护特性,例如过载和短路、热关断、软启动和压摆率控制等,方便设计人员构筑稳健的解决方案。图2:采用ISO1541的信号和电源隔离I2C解决方案另一个针对空间受限应用的可选方法是ISOW78xx系列器件,该系列可在小外形集成电路16引脚封装中提供信号和电源隔离特性。ISOW7842还可以与外部组件结合使用。图3提供了具有双向数据和单向时钟的系统解决方案示例,当使用一些额外组件进行修改时,可以支持双向数据和时钟信号。图3:采用ISOW7842的信号和电源隔离I2C解决方案欲了解有关每个隔离电源选项优缺点的更多信息,请参阅“如何为隔离I2C隔离信号和电源 I2C”。您的问题在这里没有得到解答?如果您想要了解更多有关I2C隔离器的信息,或者您有任何其他问题需要解决,请在下方留言,帮助我们继续探讨。其他资源·         “实现高压信号隔离质量和可靠性”·         “通过隔离SPI和I2C简化电池管理系统(BMS)中电流和电压监控”。·         “采用ISOW7841集成信号和电源隔离器的低功耗设计”。

    时间:2019-05-20 关键词: i2c faq iso154x 数字隔离器

  • 有关数字隔离器的七大设计问题

    有关数字隔离器的七大设计问题

    您是否正在搜寻有关数字隔离器的更多信息?我们将为您提供帮助。根据 TI E2E™ 社区的反馈,我们搜集并整理了关于数字隔离器设计攻关的最常见问题清单。希望这份清单能为您提供隔离信号与电源的有用见解。1.基础型和增强型数字隔离器至简的区别是什么?基础型数字隔离器必须根据组件级标准,通过一套测试,如 Deutsches Institut für Normung (DIN) V Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (VDE) V 0884-11。DIN V VDE V 0884-11 定义了隔离器可以耐受的电压水平,比如最大浪涌隔离电压,VIOSM;最大瞬态隔离电压,VOITM;及最大重复峰值隔离电压,VIORM(参见白皮书“高压增强型隔离:定义与测试方法”中的解释)。增强型数字隔离器,除通过这些测试外,还必须通过最小浪涌电压测试等级 10,000 VPK.测试。2.能为数字隔离器两端施加不同的电压吗?可以。数字隔离器可以在建议的工作条件下为设备两端供电。由于隔离势垒隔离了两端,每端均可在建议的工作条件下独立施加任意电压值。举例来说,可以为 ISO7721 施加 3.3 V VCC1(在 2.25 V - 5.5 V 之间)和 5 V VCC2(也在 2.25 V - 5.5 V 之间)。除构建隔离外,通过这种方法,您还可以把数字隔离器用作逻辑电平转换器。隔离器两端相互独立。3.数字隔离器信号电压可以异于它的电源电压吗?不能。数字隔离器的输入/输出信号电压取决于它的电源电压。因此,如果要使数字隔离器兼容它所对接的设备,最好是保持信号电压与隔离器电源电压相同。例如,如果 ISO7721 的电源电压为 5 V,它对接微控制器(MCU),那么很重要的一点就是 MCU 信号也工作在 5V 逻辑电平。4.无输入信号的数字隔离器的逻辑状态是什么?如果数字隔离器的输入通道无电压或者说引脚保留为浮置,它相应的输出引脚为预定义状态(称为默认状态或故障保护状态),可能为低,也可能为高,这取决于所选的设备。设备部件编号的后缀“F”,指示该隔离器输出通道的默认状态。例如,ISO7721DWR 中没有 F,则表示该设备的默认状态为高。同样的,ISO7721FDWR 中有 F,则表示该设备的默认状态为低。5.能把数字隔离器没用的通道引脚保留为浮置吗?不能。数字隔离器未用通道的输入引脚可出于测试目的保留为浮置,但在应用中,浮置未用引脚会导致产品的抗噪度下降。浮置的引脚尤其当系统进行电磁兼容性(EMC)/免疫测试时,更易于拾取噪音。为使系统对此种噪音免疫,最佳做法是将通道输入锁定在各自的默认逻辑状态。例如,对于 ISO7721DWR 来说,最佳做法是将不用的信号输入引脚通过上拉电阻连接到它的 VCC(首选 4.7-kΩ 电阻)。对于 TI ISO7721FDWR,最好是将不用的信号输入引脚接至它的接地引脚。对于这两种设备,所有不用通道的输出引脚最好都不要连接。6.如何确定数字隔离器的功耗?您可以根据其数据表列出的规格来计算数字隔离器的功耗。找到与输入电压(2.5 V、3.3 V 和 5 V)对应的电源电流特性表。在这个表格中,找到最接近于您的应用信号速度的数据传输率。数据表中将列出针对该特定数据传输率的电流消耗,分别作为隔离势垒各端的电流(ICC1 和 ICC2)。将这两个电流值相加,您将获得工作条件下的设备总电流消耗。用这个总电流消耗除以数字隔离器的通道数,就得到了每个通道的电流消耗。某些数据表还分别提供每个通道的总供电电流。例如,ISO7041 数据表显示了每通道参数总供电电流下的典型电流消耗为 4.2 µA,它是 ICC1(ch) 与 ICC2(ch) 电流的和。7.如何为数字隔离器构造隔离型电源?为数字隔离器构造隔离型电源有几种可选的方法;最佳解决方案须视具体的应用需要而定。一个选择是使用 TI SN6501这样的变压器驱动器,此种驱动器可用于具有次级侧变压器和可选整流低压差稳压器的推挽式配置(图 1)。SN6501的功率高达1.5 W,可作为隔离型电源。此设备具有高度灵活性,几乎可用在所有应用中。这是因为变压器和匝数比能为电源提供必要的隔离等级和输出电压。如果您需要为其他设备提供隔离电源,则可使用 SN6505x 而不是 SN6501,获得高达 5 W 的输出功率。SN6505 具有额外的保护特性,例如过载和短路、热关断、软启动和压摆率控制等,方便设计人员构筑稳健的解决方案。图 1:运用 SN6501 构建 ISO7741 的隔离型电源另一个针对空间受限应用的可选方法是ISOW78xx系列设备,包括 ISOW7841,该系列可在 16 引脚小型塑封集成电路封装中提供信号和电源隔离。如图 2 所示,这种组合占空间小;不需要变压器,也易于通过认证。图 2:运用 ISOW7841 通过集成信号和电源打造数字隔离器我们还遗漏了什么问题吗?如果您想寻找更多有关数字隔离器的信息,或者想为这份清单添加问题,请在下方留言,帮助我们继续探讨。其他资源·         更多了解 TI 的隔离解决方案及其数字隔离器产品系列。·         阅读“挑选数字隔离器的注意事项。”·         阅读技术文章,我们的隔离器通过了认证。您的呢?·         查阅论坛技术文章,“如何阅读 TI 数字隔离器的部件编号?”

    时间:2019-05-17 关键词: iso7721fdwr 数字隔离器

  • 剖析数字隔离器结构原理及优势

    剖析数字隔离器结构原理及优势

      数字隔离器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有光耦合器所无法比拟的巨大优势。  多年来,工业、医疗和其他隔离系统的设计人员实现安全隔离的手段有限,唯一合理的选择是光耦合器。如今,数字隔离器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方面均有优势。了解数字隔离器三个关键要素的特点及其相互关系,对于正确选择数字隔离器十分重要。这三个要素是:绝缘材料、结构和数据传输方法。  设计人员之所以引入隔离,是为了满足安全法规或者降低接地环路的噪声等。电流隔离确保数据传输不是通过电气连接或泄漏路径,从而避免安全风险。然而,隔离会带来延迟、功耗、成本和尺寸等方面的限制。数字隔离器的目标是在尽可能减小不利影响的同时满足安全要求。  传统隔离器——光耦合器则会带来非常大的不利影响,功耗极高,而且数据速率低于1 Mbps。虽然存在更高效率和更高速度的光耦合器,但其成本也更高。  数字隔离器问世于10多年前,目的是降低光耦合器相关的不利影响。数字隔离器采用基于CMOS的电路,能够显着节省成本和功耗,同时大大提高数据速率。数字隔离器由上述要素界定。绝缘材料决定其固有的隔离能力,所选材料必须符合安全标准。结构和数据传输方法的选择应以克服上述不利影响为目的。所有三个要素必须互相配合以平衡设计目标,但有一个目标必须不折不扣地实现,那就是符合安全法规。  绝缘材料  数字隔离器采用晶圆CMOS工艺制造,仅限于常用的晶圆材料。非标准材料会使生产复杂化,导致可制造性变差且成本提高。常用的绝缘材料包括聚合物(如聚酰亚胺PI,它可以旋涂成薄膜)和二氧化硅(SiO2)。二者均具有众所周知的绝缘特性,并且已经在标准半导体工艺中使用多年。聚合物是许多光耦合器的基础,作为高压绝缘体具有悠久的历史。图1. (a) 带厚聚酰亚胺绝缘层的变压器,电流脉冲产生磁场,在另一个线圈中感生电流;(b) 带薄SiO2绝缘层的电容,利用低电流电场将数据耦合到隔离栅的另一端。  表1. 基于聚合物/聚酰亚胺的隔离器可提供最佳的隔离特性    安全标准通常规定1分钟耐压额定值(典型值2.5 kV rms至5 kV rms)和工作电压(典型值125 V rms至400 V rms)。某些标准也会规定更短的持续时间、更高的电压(如10 kV峰值并持续50 μs)作为增强绝缘认证的一部分要求。基于聚合物/聚酰亚胺的隔离器可提高最佳的隔离特性,如表1所示。  基于聚酰亚胺的数字隔离器与光耦合器相似,在典型工作电压时寿命更长。基于SiO2的隔离器对浪涌的防护能力相对较弱,不能用于医疗和其他应用。  各种薄膜的固有应力也不相同。聚酰亚胺薄膜的应力低于SiO2薄膜,可以根据需要增加厚度。SiO2薄膜的厚度有限,因而隔离能力也会受限;超过15 μm时,应力可能会导致晶圆在加工过程中开裂,或者在使用期间分层。基于聚酰亚胺的数字隔离器可以使用厚达26 μm的隔离层。  隔离器结构  数字隔离器使用变压器或电容将数据以磁性方式或容性方式耦合到隔离栅的另一端,光耦合器则是使用LED光。  如图1所示,变压器电流脉冲通过一个线圈,形成一个很小的局部磁场,从而在另一个线圈生成感应电流。电流脉冲很短(1 ns),因此平均电流很低。  变压采用差分连接,提供高达100 kV/μs的出色共模瞬变抗扰度(光耦合器通常约为15 kV/μs)。磁性耦合对变压器线圈间距离的依赖性也弱于容性耦合对板间距离的依赖性,因此,变压变压器线圈之间的绝缘层可以更厚,从而获得更高的隔离能力。结合聚酰亚胺薄膜的低应力特性,使用聚酰亚胺的变压器比使用SiO2的电容更容易实现高级隔离性能。  电容为单端连接,更容易受共模瞬变影响。虽然可以用差分电容对来弥补,但这会增大尺寸并提高成本。  电容的优势之一是它使用低电流来产生耦合电场。当数据速率较高时(25 Mbps以上),这一优势就相当明显。  数据传输方法  光耦合器使用LED发出的光将数据传输到隔离栅的另一端:LED点亮时表示逻辑高电平,熄灭时表示逻辑低电平。当LED点亮时,光耦合器需要消耗电能;对于关注功耗的应用,光耦合器不是一个好的选择。多数光耦合器将输入端和/或输出端的信号调理留给设计人员实现,而这并不一定是非常简单的工作。  数字隔离器使用更先进的电路来编码和解码数据,支持更快的数据传输速度,能够处理USB和I2C等复杂的双向接口。  一种方法是将上升沿和下降沿编码为双脉冲或单脉冲,以驱动变压器(图2)。这些脉冲在副边解码为上升沿或下降沿。这种方法的功耗比光耦合器低10倍到100倍,因为不像光耦合器,电源无需连续提供给器件。器件中可以包括刷新电路,以便定期更新直流电平。图2. 一种数据传输方法是将边沿编码为单脉冲或双脉冲  另一种方法是使用RF调制信号,其使用方式与光耦合器使用光的方式非常相似,逻辑高电平信号将引起连续RF传输。这种方法的功耗高于脉冲方法,因为逻辑高电平信号需要持续消耗电能。  也可以采用差分技术来提供共模抑制,不过,这些技术最好配合变压器等差分元件使用。  选择正确的组合  数字隔离器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有光耦合器所无法比拟的巨大优势。在数字隔离器领域,不同的绝缘材料、结构和数据传输方法组合造就不同的产品,而不同的产品适合不同的具体应用。如上所述,基于聚合物的材料提供最鲁棒的隔离能力,这种材料几乎适合所有应用,但医疗保健和重工业设备等要求最严格的应用受益最大。为了实现最鲁棒的隔离,聚酰亚胺厚度可以超过对电容而言的合理厚度;因此,基于电容的隔离最适合不需要安全隔离的功能隔离应用。在这种情况下,基于变压器的隔离可能是最合理的,特别是结合差分数据传输方法,以便充分利用变压器的差分特性。

    时间:2019-03-06 关键词: 电源技术解析 数字隔离器

  • 实现隔离式半桥栅极驱动器的设计基础

    实现隔离式半桥栅极驱动器的设计基础

    隔离式半桥栅极驱动器可用于许多应用,从要求高功率密度和效率的隔离式DC-DC电源模块,到高隔离电压和长期可靠性至关重要的太阳能逆变器等等,不一而足。本文将详细阐述这些设计理念,探索隔离式半桥栅极驱动器解决方案在提供高性能和小尺寸解决方案方面的卓越能力。  隔离式半桥驱动器的功能是驱动高端和低端N沟道MOSFET(或IGBT)的栅极,通过低输出阻抗降低导通损耗,同时通过快速开关时间降低开关损耗。高端和低端驱动器需要高度匹配的时序特性,以实现精确高效开关操作。这可以减少二次开关导通前关断半桥一次开关的空载时间。实现隔离式半桥栅极驱动功能的典型方法是使用光耦合器进行隔离,后跟高压栅极驱动器IC,如图1所示。 该电路的一个潜在问题是,仅有一个隔离输入通道,而且依赖高压驱动器来提供通道间所需的时序匹配以及应用所需的死区。另一问题是,高压栅极驱动器并无电流隔离,而是依赖结隔离来分离同一IC中的高端驱动电压和低端驱动电压。在低端开关事件中,电路中的寄生电感可能导致输出电压VS降至地电压以下。发生这种情况时,高端驱动器可能发生闩锁,并永久性损坏。  图1.高压半桥栅极驱动器  光耦合器栅极驱动器  另一种方法(如图2所示)利用两个光耦合器来实现输出之间的电流隔离,从而避免了高端-低端交互作用的问题。栅极驱动器电路往往置于与光耦合器相同的封装中,最常见的情况是,两个独立的光耦合器栅极驱动器IC构成完整的隔离式半桥,结果使解决方案尺寸变大。需要注意的是,光耦合器是作为分立式器件生产的,即使两个光耦合器封装在一起亦是如此,因此,它们的通道间匹配存在限制。这会增加关闭一个通道与打开另一个通道之间的死区,从而导致效率下降。 光耦合器的响应速度同样受到原边发光二极管(LED)电容的限制,而且将输出驱动至高达1MHz的速度也会受到其传播延迟(最大值为500ns)以及较慢的上升和下降时间(最大值为100ns)的限制。要使光耦合器达到最高速度,需要将LED电流增加至10mA以上,这会消耗更多功率,缩短光耦合器的寿命并降低其可靠性,尤其是在太阳能逆变器和电源应用中常见的高温环境下。  图2.光耦合器半桥栅极驱动器  脉冲变压器栅极驱动器  接下来,我们将探讨电流隔离器,由于它们具有更低的传播延迟、更精确的时序,因此速度比光耦合器更高。脉冲变压器是一种隔离变压器,其工作速度可以达到半桥栅极驱动器应用通常所需的水平(最高1MHz)。栅极驱动器IC可用于提供容性MOSFET栅极充电所需的高电流。图3中的栅极驱动器以差分方式驱动脉冲变压器的原边,该变压器副边有两个绕组,用于驱动半桥的各个栅极。使用脉冲变压器的一个优势是,它不需要用隔离电源来驱动副边MOSFET。当感应线圈中有较大的瞬态栅极驱动电流流过时(会导致振铃),这种应用就可能出现问题。 它有可能使栅极不合需要地开启和关闭,从而损坏MOSFET。脉冲变压器的另一个局限在于,它们在要求信号占空比在50%以上的应用中可能表现不佳。这是由于变压器只能提供交流信号,因为铁芯磁通量必须每半个周期复位一次以维持伏秒平衡。最后,脉冲变压器的磁芯和隔离式绕组需要相对较大的封装。再加上驱动器IC和其他分立式元件,最终建立的解决方案可能尺寸过大,无法适应许多高密度应用。  图3.脉冲变压器半桥栅极驱动器  数字隔离器栅极驱动器  现在,我们来看看以数字隔离器来实现隔离式半桥栅极驱动器的方法。在图4中,数字隔离器使用标准CMOS集成电路工艺,以金属层形成变压器线圈,并以聚酰亚胺绝缘材料来分离线圈。这种组合可以实现5kVrms以上(1分钟额定值)的隔离能力,可用于增强型隔离电源和逆变器应用。  图4.采用变压器隔离的数字隔离器  图5.数字隔离器4A栅极驱动器  如图5中电路所示,数字隔离器消除了光耦合器中使用的LED以及与之相关的老化问题,而且功耗更低、可靠性更高。输入与输出以及输出与输出之间提供电流隔离,以消除高端-低端的交互作用。输出驱动器通过低输出阻抗降低导通损耗,同时通过快速开关时间降低开关损耗。与光耦合器设计不同,高端和低端数字隔离器是输出匹配型集成电路,具有更高的效率。 高压栅极驱动器集成电路(图1)会增加电平转换电路中的传播延迟,因而不能像数字隔离器一样实现通道间时序特性的匹配。在数字隔离器中集成栅极驱动器,可使解决方案的尺寸降至单封装级,从而大幅减小解决方案尺寸。  共模瞬变抗扰度  在针对高压电源的许多半桥栅极驱动器应用中,开关元件中可能发生极快的瞬变。在这些应用中,如果较大的dV/dt可能在隔离栅上发生容性耦合,则有可能在隔离栅上导致逻辑瞬变错误。在隔离式半桥驱动器应用中,这种情况可能在交叉传导过程中同时打开两个开关,因而可能损坏开关。隔离栅上的任何寄生电容都可能成为共模瞬变的耦合路径。 光耦合器需要以敏感度极高的接收器来检测隔离栅上传递的少量光,而且较大的共模瞬变可能扰乱其输出。可以在LED与接收器之间添加一个屏蔽,以降低光耦合器对共模瞬变电压的敏感度,这种技术被运用在多数光耦合器栅极驱动器中。 该屏蔽可以提高共模瞬变抗扰度(CMTI),从标准光耦合器不到10kV/μs的额定值提升至光耦合器栅极驱动器的25kV/μs。虽然CMTI达到25kV/μ对许多栅极驱动器应用是合适的,但是对于瞬变电压较大的电源以及太阳能逆变器应用来说,可能需要CMTI达到50kV/μs或以上。  图6.基于电容的数字隔离器(CMTI

    时间:2019-03-05 关键词: 电源技术解析 光耦合器 脉冲变压器 数字隔离器

  • 满足各类不同系统需求的多种SPI总线隔离方案

    满足各类不同系统需求的多种SPI总线隔离方案

    简介 串行外设接口(SPI)是一种同步串行总线接口,常用于微处理器和外围设备之间的短距离通信。SPI总线不是一种管理严格的协议,可以用各种方式来实现。常常需要使用电气隔离,或者电气隔离能带来好处。本应用笔记讨论各种SPI隔离技术,以帮助设计人员应对不同的系统级挑战,例如高通信速度、有限的印刷电路板(PCB)面积和低功耗。本应用笔记还可作为各种SPI隔离解决方案的选择指南。 SPI协议通常由四个单向单端通道组成。SPI主机输出三个信号:时钟、串行数据和从器件选择。一条串行数据线自从器件返回主器件。在kbps和低mbps数据速率下,此物理层使SPI成为比较容易在主器件和从器件之间实现电气隔离的协议。对于全双工通信,标准四通道数字隔离器常常就足以实现透明的“直接使用”式解决方案。如果数据速率更高,则需要其他技术。 时钟速度最大化 更普遍且更传统的形式是单一主器件与一个或多个从器件进行全双工通信。主器件通过将片选线设置为低电平并发送时钟信号来启动与从器件的通信。主器件和选定的从器件均在时钟上升沿写入总线,并在时钟下降沿读取数据。图1和图3中的示例系统便使用这种形式的SPI通信。 图1.标准SPI实现 三个正向通道、一个反向通道(3/1)的标准数字隔离器 为定向通道添加隔离是相当直接的过程。数字隔离器是SPI隔离的自然选择,因为这些隔离器提供低传播延迟、良好的通道间匹配、紧凑的单芯片解决方案、鲁棒的通信且易于实施。这些特性使数字隔离器优于光耦合器解决方案。 在数据采集系统中,吞吐速率不断攀升。尽管传播延迟很短,但这些延迟确实会限制全双工通信的最大数据速率。图2和图4的差异说明了这一影响。 图2.标准SPI时序图 时钟速率限制 为了计算最大SPI时钟速度,全双工“直接使用”式实施方案必须考虑数字隔离器的若干特性。最小脉冲宽度、最大数据速率和传播延迟都可能是限制因素。 图3显示了利用通用3/1四通道标准数字隔离器作为“直接使用”式电气隔离解决方案的SPI总线隔离。SPI时钟信号每个周期改变状态两次,但通过数字隔离器的数字数据并非如此。标准数字隔离器必须具有支持时钟信号的最大数据速率特性。在此示例器件中,最大数据速率特性不是限制因素。 图3.标准数字隔离器SPI隔离 注意图4中传播延迟的影响。在这个例子中,数据在时钟上升沿发送,在下降沿接收。 图4.带隔离的标准SPI时序图 主器件同时开始时钟和主器件输出、从器件输入(MOSI)信号的传输。从器件的主器件输入、从器件输出(MISO)信号传输由时钟上升沿触发;由于时钟沿延迟,MISO信号也被延迟。MISO信号随后必须经过标准数据隔离器,再到达主器件。在这个例子中,从器件和主器件均在时钟下降沿读取数据。 SPI通信取决于与MISO信号同步的时钟信号。图5显示了传播延迟的影响,数据速率一直增加到通信失败。由于传播延迟,时钟下降沿导致读取发生在MISO信号转换时,而非MISO信号建立时。此系统的数据速率过高,通信不可靠。 图5.主器件视角下的时序图 如图5所示,到从器件和返回到主器件的传播延迟必须发生在小于SPI时钟周期一半的时间内。在应用中,PCB走线延迟、建立时间和从器件响应时间可能会进一步降低最大时钟速率。为简单起见,本应用笔记忽略这些因素,因此“直接使用”式全双工实施方案具有如下关系: SPI时钟半周期 ≥ 2 × tPROP_DELAY 用数据手册中的最大传播延迟值计算最大数据速率。尽管系统在实验室中可以实现更高速度,但为了确保通信鲁棒,必须考虑温度、电源电压和器件的变化。表1提供了关于ADI公司各种数字隔离器的最大SPI数据速率的指南。 表1.“直接使用”式全双工数字隔离器最大SPI时钟速率 独立延迟时钟(回绕时钟) 将标准数据数字隔离器插入SPI信号链可以实现的数据速率较低,一些全双工应用要求更快的SPI数据速率。图5所示的同步困境可以通过将时钟信号与MISO信号一道送回主器件来解决。更高数据速率是可以实现的,但采用这种方法时要考虑给SPI主器件设计带来的额外复杂性。通常,读取延迟的MISO和时钟信号需要额外的移位寄存器。 采用标准数据隔离器实现的独立延迟时钟技术需要额外的隔离通道来返回(或回绕)主时钟信号。回绕时钟信号通过额外的隔离通道返回主器件。该延迟时钟信号被隔离器的正向和反向传播延迟所延迟,就像MOSI信号传输到从器件和MISO信号返回被延迟一样(见图6)。对于这种方法,必须使用具有低通道匹配时序特性的数字隔离器。最小SPI时钟周期(不考虑从器件和走线延迟)由最大脉冲宽度失真和同向通道匹配特性决定。确保计算出的最小SPI半时钟大于器件最小脉冲宽度特性。 SPI时钟半周期 ≥ 2 × tPWD+ tPSKCD 例如,ADuM152N的最大脉冲宽度失真为4.5 ns,最大同向通道匹配为4.0 ns,理论上可以获得最大38.4 MHz的时钟速度。 实践中,必须考虑走线长度和从器件响应的延迟。 图6.使用隔离通道延迟的高速SPI SPI数字隔离器ADuM3150和ADuM4150提供一个经调整的延迟时钟信号作为标准特性。如图7所示,ADuM3150在主器件侧实现了一个延迟电路。ADuM4150也在主器件侧实现了一个延迟电路。延迟时钟(DCLK)信号在ADuM3150出厂测试期间进行调整,以匹配各隔离器的往返传播延迟。与图6不同,ADuM3150不需要额外的隔离通道。这些SPI数字隔离器能够处理的最高时钟速率为40 MHz。 图7.使用精密时钟延迟的高速SPI 表2.回绕时钟SPI数据速率 延迟回读隔离器 可以不增加延迟时钟信号来同步延迟MISO数据信号,而是用延迟回读隔离器缓冲主器件侧的MISO数据,直到下一个字传输到总线上为止。缓冲MISO数据后,便不需要主器件支持延迟时钟。此过程要求应用容忍MISO数据中的一个字延迟。对于数据主要从主器件写入从器件的应用来说,这不是一个重大限制。延迟回读技术由LTM2895实现,其还包含三个双向选择信号和一个低抖动信号,使该器件成为隔离数模转换器(DAC)的理想选择。 LTM2895跨越隔离栅仅传输关键信号的显著边沿(见图8),从而支持100 MHz时钟的SPI总线操作。使用集成状态机和缓冲器的组合,LTM2895可以完全再生SPI信号。所需的配置信息(例如SPI时钟频率和字长)通过SPI接口和次级端从器件选择()进行配置。在LTM2895完成配置后,该次级端从器件选择信号可改变用途以支持写入另一个隔离侧SPI器件。 图8.超高速DAC流传输隔离器 LTM2895的初级端和次级端通过使用高速异步串行链路(一个正向和一个反向)跨越隔离栅进行内部通信。先占式优先级划分方案确保时序关键信号以低延迟和低抖动进行更新。 图9显示了LTM2895的正常操作序列,其从初级端()的下降沿开始,在次级端()产生相应的下降沿,并使MISO输出先前采样的MISO2字的MSB。初级端SCLK的第一个上升沿触发LTM2895对MOSI采样并跨越隔离栅发送信息。当次级端状态机接收到此数据时,状态机更新MOSI2并在一定时间(由SPI时钟频率配置决定)内让SCLK2保持低电平。经过指定的SCLK2低电平时间后,次级端状态机让SCLK2变为高电平,对MISO进行采样,然后将数据发送到初级端缓冲器。当初级端SCK下降时,缓冲的MISO数据发生更新。随后的SCLK上升沿迫使SCKL2在规定时间内保持低电平,而其他信号保持不变。当上升时,SPI事务结束,驱动MISO到高阻态,并让次级端SCLK2和MOSI2处于低电平,让处于高电平。由于未选择LTM2895时MISO为高阻态,所以MISO可与其他从器件共享初级端SPI总线。 MISO数据缓冲器是循环式,使用由配置的字大小分隔的读写指针。 当选择66 MHz或100 MHz的SPI时钟频率时,LTM2895在SCK上升沿更新初级端MISO数据,以提供额外的传播和建立时间。 当保持低电平时支持SPI页模式,可以传输所需倍数的字长。 当用DAC输入端隔离DAC时,LTM2895信号会在下降沿之间产生一个典型抖动为30 ps rms的窄脉冲。的上升沿由LTM2895产生,脉冲宽度为40 ns或60 ns(取决于SCLK2频率设置)。 图9.LTM2895 SPI时序 集成隔离电源 独立电源在某些应用中可能不经济或不可行。在这些设计中,初级端需要隔离电源来为次级端器件供电。传统隔离电源解决方案体积庞大,难以满足隔离鲁棒性和认证要求。这些挑战只需几个isoPower®或μModule®器件就能解决。ADuM5411就是这样一种解决方案(见图10)。该器件提供四个隔离信号通道和高达150 mW的集成隔离电源,但仅占用90 mm2的PCB区域,包括支持性旁路电容。150 mW的集成隔离电源通常足以支持精密ADC或低功耗微控制器单元(MCU)。 图10.带isoPower的SPI隔离 对于隔离功率要求更高的隔离式SPI应用,表3列出了其他解决方案。ADuM5401可以自行提供高达500 mW的隔离功率。ADuM5401还有控制其他兼容isoPower器件的能力。ADuM5401可以用作主器件并将其脉宽调制(PWM)信号发送到一个或多个ADuM5000器件,从而调节自身和每个ADuM5000从器件。 LTM2883-S、LTM2886-S和LTM2887-S是6通道数字μModule隔离器,能够提供高达1 W的输出功率,并有多种输出电压范围可供选择。 ADuM3471集成四个用于SPI的隔离数据通道以及一个开关稳压器。利用一个外部变压器,该器件提供最高2 W、3.3 V至24 V的调节隔离电源。ADuM3471的输出功能使其适合在需要更高功率和更宽电压范围的系统(如模拟输出模块)中提供隔离电源。 表3.集成隔离电源的SPI信号隔离 辅助数据通道 除了选择多个从器件之外,低速通道还可以跨越隔离栅传输额外的控制信号,如图11所示。在这种情况下,ADuM3152低速通道支持混合通道方向,将复位信号从主器件发送到从器件,同时沿相反方向发送电源正常和中断信号。SPIsolator®器件系列中的不同器件可创造不同的辅助数据通道方向组合。 图11.带补充功能的SPI隔离 多从器件控制 将多个从器件连接到SPI总线有两种方法:菊花链或独立从器件配置。菊花链只需要一条从器件选择(SS)线,通过单个隔离端口将链上的全部内容串行移出。如果数据采集序列不固定,则每个SPI从器件必须单独寻址。 一种简单的解决方案是添加更多数字隔离通道,例如ADuM161N。对于需要为SS信号精确定时的系统,建议使用此解决方案。例如,当从器件是ADC时,SS信号也会启动数据转换。 在时序约束较宽松的应用中,集成4个高速通道和1个低速通道的ADuM3154隔离器可提供一种替代解决方案,如图12所示。ADuM3154支持最高17 MHz的SPI时钟速度,并可控制多达四个独立的从器件。多路复用选择线的传播延迟为100 ns至2.6 μs,具体取决于输入数据边沿随内部采样时钟而变化的位置。通过消除三个隔离通道,此解决方案比标准数字隔离器解决方案更紧凑,性价比更高。 图12.带多从器件控制的SPI隔离 当一个主器件与多个从器件在独立的隔离平面上通信时,例如图13所示,数字隔离器必须能够让初级端MISO线处于三态。如果MISO不处于三态,由于数字隔离器的输出引脚处于争用状态,通信将不可能进行。 对于具有一个主器件和多个非隔离/隔离从器件的应用,还需要对来自隔离器的MISO信号进行三态缓冲。 图13.针对相互隔离的从器件的MISO三态 超低功耗应用 隔离对电子系统安全是必需的,但隔离也被认为是一种负担,因为它会限制通信速度,占用电路板空间,并且消耗相当多的功率。前两者通过创新来解决,即实现时钟速度最大化和电路板空间最小化。有些应用要求超低功耗,如电池供电设备和4 mA至20 mA环路供电工业变送器。目前,数字隔离器的功耗(远远低于光耦合器)必须降低两至三个数量级才能进入这些新的应用领域。 数据速率固定之后,数字隔离器的功耗水平主要由数据编码方案决定,这些方案大致可分为脉冲编码架构和开关键控(OOK)架构。脉冲编码方案的优势是在较低数据速率时消耗的电源电流较低,而OOK在较高数据速率(10 Mbps以上)时消耗的电流比脉冲编码方法要低。在大多数低功耗应用中,SPI时钟速度低于1 MHz,因而脉冲编码方案是更好的选择。 不过,脉冲编码方案有一个缺点:如果输入端无逻辑变化,则不会将数据发送到输出端。系统上电后输入和输出之间可能出现不匹配,或者外部噪声可能会扰乱输出数据。定期重新发送直流状态可以解决此问题。大多数脉冲编码数字隔离器每隔1 µs刷新一次直流状态,但刷新速率也会设置一个点:在该点,当数据速率下降时,功耗停止下降。 ADuM1441将刷新速率降至17 kHz,因此功耗非常低。为了尽可能降低功耗,刷新电路可以完全禁用。如图14所示,在禁用刷新电路的情况下,ADuM1441的功耗降至μW范围。系统设计人员可以低得多的频率发送直流正确性脉冲来平衡功耗与数据完整性。 图14.ADuM1441每个通道的总电源电流(VDDX = 3.3 V) 大部分现场仪表是环路供电型设备。从环路获得的电源必须为仪表内的一切供电,包括传感器和所有支持电子电路。最小环路电流为4 mA,因此这种设计只能使用3.5 mA,这是允许的最大系统功耗。为现场变送器设计选择器件时,功耗是首要考虑因素。大多数标准数据数字隔离器的两侧都会消耗几毫安的电流,而ADuM1441及其超低功耗特性能为隔离式现场仪表提供此功能,如图15所示。 图15.4 mA至20 mA环路供电仪表中的超低功耗SPI隔离 结论 相比于仅在主器件和从器件之间插入四通道数字隔离器,SPI总线隔离可能更为复杂。数据采集系统需要电气隔离以实现抗噪性和安全性,同时不能牺牲吞吐速率。最近的创新使隔离时钟速度达到100 MHz。破天荒第一次,看不见的隔离器(即不会降低时钟速度的隔离器)在如此高的速度下变得可行。与分立解决方案相比,采用小型封装的集成信号与电源隔离方案可大幅简化带次级端电源的SPI隔离的设计,显著缩小电路板空间并降低成本。集成额外低速隔离通道可为多从器件控制或辅助通道应用提供紧凑且高性价比的选择。先进的脉冲编码技术针对超低功耗进行了优化,实现了以前由于电源受限而无法实现的SPI隔离

    时间:2018-09-19 关键词: 印刷电路板 总线与接口 spi总线隔离 数字隔离器

  • 在系统设计中如何选择隔离器

    在系统设计中如何选择隔离器

    经常有电子工程师网友提出这样的问题,在系统设计中,很困惑的一个问题是,不知如何去选择一个合理的、适用的隔离器。前两天,记者采访了ADI公司数字隔离器产品高级应用工程师周晓奇,他就有关隔离器在电路中的作用、工程师在数字隔离器选型时应该注意哪些步骤等问题,给电子工程师们一个很好的解答。为什么要用隔离器隔离器主要是用在隔离高压(危险电路)系统和低压(安全电路)系统之间的电气连接,以保护用户以及电路系统安全,以及隔离敏感电路(比如高精度检测电路)和噪声源(例如大功率开关电源)之间的连接,以减小噪声干扰。周晓奇说,隔离器的主要结构大致有四种: 一是传统光电耦合; 二是集成式变压器(磁耦合);三是集成式电容耦合; 四是分立式变压器耦合。最常用的是光耦合器,光耦合器一般由三部分组成:光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管(LED),使之发出一定波长的光,被光检测器接收而产生光电流,再经过进一步放大后输出。它的主要优点是单向传输信号,输入端与输出端完全实现了电气隔离,抗干扰能力强,使用寿命长,传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。随着近几年数据传输的速度不断提升,传统的光耦合器也暴露出一些缺点,例如,整个电路体积大,集成度不高,而且光电耦合器件本身具有易损耗、速度较慢(一般的数据速率低于1Mbps)、耗电量大等缺点,特别是在温度和老化变化过程中的性能极不稳定,为其应用带来局限,特别是在工业应用中这些问题就比较突出。为了克服光电隔离技术的诸多缺点,许多半导体公司开始研发不发光的隔离器解决方案。周晓奇告诉记者,ADI公司是最早一家推出新型数字隔离器解决方案的公司,并于2001年率先推出基于其专有iCoupler磁耦隔离技术的标准数字隔离产品。新型数字隔离器周晓奇介绍说,iCoupler 技术是基于芯片尺寸的变压器,每个iCoupler通道都由两部分组成:CMOS接口电路和芯片级变压器。而iCoupler隔离变压器的核心正是这个能够穿越隔离阻障并发射与接收信号的平面变压器,它们不仅能够提供隔离,而且消除了光耦合器中光电转换的缺点,包括功耗过大、较大的时序误差和数据速率受限等。事实上,由于无需驱动LED 的外部电路,iCoupler数字隔离器功耗仅为光电耦合器的1/10~1/50。iCoupler隔离变压器可实现数千伏(5000V) 的隔离,其高耐压的关键在于发送和接收变压器的顶层和底层线圈之间,采用厚达20 μm 的聚酰亚胺材料作为隔离层,在4 mm×4 mm芯片上集成了4个变压器(图1)。周晓奇说,这种新型数字隔离器的优势主要体现在:一,传输速度更快,远高于传统光耦,高达150 Mbps。二,静态/动态电流更小。三,寿命更长,在耐高压和耐击穿的使用范围内寿命甚至可达50年。四,可以集成标准CMOS工艺下的其他功能。五是可以在芯片内部实现隔离电源,并具有更小的体积和厚度。iCoupler隔离器的工作原理是,当数字隔离器的输入端接收到信号的上升沿或者下降沿时,会将这些信号编码成双脉冲或者单脉冲,并通过集成变压器传递到另一侧。同时通过解码器将这些脉冲信号还原成和输入信号相同的波形。与此同时,iCoupler数字隔离器还集成了看门狗电路,当信号长时间不发生变化时,输入侧的更新电路也会定时发出相应的脉冲信号到输出端,如果输出端的看门狗电路长时间没有收到任何信号,会认为输入端进入异常状态,此时,输出端的输出信号会回到预先设定的默认值(图2)。周晓奇表示,从2001年,ADI推出第一款iCoupler隔离器产品,现已有10大系列、100多个种类,是目前业界种类最齐全的隔离器产品,包括标准数字隔离器、采用iso Power的数字隔离器、集成PWM控制器和变压器驱动器的数字隔离器、USB 2.0兼容型隔离器、隔离式门驱动器、隔离式I2C数字隔离器、隔离式RS-485收发器、隔离式RS-232器件和隔离式Σ-Δ型ADC等。可以说,几乎任何应用都可以找到一款合适的iCoupler产品来满足您的设计需求。应用案例采访中,周晓奇还特别列举了两个iCoupler数字隔离器应用的成功案例。一是,2012年,ADI为西门子航空航天业务集团的PowerSCOE系统提供了其高度集成的iCoupler数字隔离解决方案。作为一个先进的卫星电源保护系统,当卫星出现异常时,它能在几微秒内关闭卫星中的数千瓦电源。西门子航空航天业务集团设计该系统时还考虑到其它技术,如智能电网电力监控等,但由于每个通道都包含辅助模拟输入及数字和模拟输出,因此最大的挑战是要确保100个通道彼此隔离。PCB上有100多路模拟和数字I/O。面对如此高的PC B密度,传统的光耦合器和DC/DC转换器解决方案已无能为力。最终ADI高度集成的iCoupler数字隔离器卓越的性能表现获得了西门子的信赖,也再次验证了iCoupler技术的领先优势。二是,客户利用ADI的iCoupler和isoPOWER技术带有集成隔离电源的数字隔离器,设计了非常小型化USB接口的工业级别的传感器系列。这也得益于ADI的iCoupler系列产品,该系列传感器的外观非常紧凑(使用分立方案无法做到如此小的体积),并且功耗非常低( 可以使用USB直接供电而不需要外部电源)。这个设计在使设备极小的同时,保证了足够的隔离强度,以保护现场工作人员的安全。数字隔离器选型步骤如何在设计中选择合理和适用的数字隔离器,周晓奇给电子工程师们提出了几点建议:一.要了解自己的应用中的隔离强度需求:A. 实际应用中的工作电压为多少?什么样的电网条件?(220V民用电网/工业用电网)B. 实际的应用环境是怎样的?(海拔高度/湿度条件/温度条件)C. 在该应用中采取的隔离保护级别是怎样的?保护对象是怎样的类型?(功能性隔离/基本安全隔离/增强型安全隔离)D. 该应用应该符合哪个具体国际安全规范?二.了解自己对隔离器工作速度和接口的要求:A.在该应用中的最高速率是多少?B.一个封装中需要多少个通道?C. 在该应用中的时序要求,例如信号延迟的要求。D. 是否需要集成其他功能(I2C/USB/RS-485/集成隔离电源)。三.价格(每通道价格)。四.在选择好数字隔离器后,在PCB布板时仍然要谨慎考虑耐高压的安规需求。隔离器未来的技术挑战隔离器未来的技术发展还将解决哪些技术上的关键问题,周晓奇认为,主要需解决以下几个方面的问题:1.更高的隔离电压需求;2.更高的传输速度;3.更多样化的接口和集成功能;4.寿命更长和更小的体积、更先进的封装技术。

    时间:2018-09-14 关键词: 电源技术解析 光耦合器 icoupler isopower 数字隔离器

  • 浅谈数字隔离器件的选型与应用

    浅谈数字隔离器件的选型与应用

    引言数字隔离技术常用于工业网络环境的现场总线、军用电子系统和航空航天电子设备中,尤其是一些应用环境比较恶劣的场合。数字隔离电路主要用于数字信号和开关量信号的传输。使用隔离电路的一个首要原因是为了消除噪声。另一个重要原因是保护器件(或人)免受高电压的危害。厂商的产品手册中所列出的隔离等级(isolation rating)应符合美国保险商实验室 (UL 1577)、国际电工委员会 (IEC 60747-5-2、IEC 61010-1)以及加拿大标准协会 (CSA Component Acceptance Notice 5A) 制定的有关隔离器标准。数字隔离器件的生产商很多,如安华高、TI、ADI、NVE(nonvolatile electronics Inc)、芯科实验室(Silicon Laboratories)等公司,各厂商的产品都得到了广泛的应用。依照数字式隔离电路的生产工艺、电气结构和传输原理,数字隔离电路主要分为光学、电感以及电容耦合技术的数字隔离器件。产品有消费设备、工业控制、军用、航空航天等多个级别供用户选择。各类数字隔离器件的工作原理及特点光电隔离器光耦合器(optical coupler)也叫光电隔离器或光电耦合器,简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件。发光器(红外线发光二极管LED)与受光器(光敏半导体管)被封装在同一管壳内,当输入端加电信号时发光器发出光线,受光器接受光线之后就产生光电流,从输出端流出,从而实现了“电—光—电”转换。以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器,由于具有体积小、寿命长、无触点,抗干扰能力强,输出和输入之间绝缘,单向传输信号等优点,在数字电路上获得了广泛的应用。其电路结构相对较为简单,主要由砷化镓红外发光二极管和用作检测器的光敏二极管或三极管组成,有些产品在光敏二极管或三极管的后级添加一些处理电路,使其特性适合于一些特殊的应用或实现一些标准接口。安华高公司的高速CMOS接口光耦合器HCPL-0723的原理框图如图1所示。图1 安华高公司耦合器HCPL-0723的原理框图光耦合长久以来一直用于工业网络,电气层接口的早期参考设计中通常包括光耦合器。其主要优势是光线具有抗外部电磁场干扰的固有特性,而且光耦合可实现稳态信息的传输。不足之处在于传输速度有限、功耗大并且发光二极管(LED)易受时间及温度的影响而老化。电感式隔离器与光耦合一样,电感耦合也有较长的应用历史,但通常仅用于电源或模拟隔离器,而非数字器件。但随着制造工艺的进步和研发设计水平的提高,电感式数字隔离器件得到了迅速的发展和广泛的运用。电感耦合使用不断变化的磁场来通过隔离层实现通信。电感耦合的优势之一是可以在不明显降低差模信号的情况下最小化变压器的共模噪声。另一个优势是信号能量的转换效率极高,因而可以实现低功耗隔离器。缺点之一是易受外部磁场(噪声)的干扰。马达控制等工业应用在磁场环境中通常需要隔离。电感耦合另一个值得关注的问题是数字数据与数据游程长度(Data run-length,连续“1”或“0”的数目)的传输。初级绕组与次级绕组之间的耦合能够以可接受的衰减量传递一定频率范围的信号。数据游程长度的限制或时钟编码要求信号必须保持在变压器的可用带宽范围内。使用电感耦合的通用数字隔离器需要对信号进行处理才能传输并重建数字信号,以及传输代表一长串“1”或“0”的低频信号,甚至直流电平。变压器是一个最常见的例子:初级绕组及次级绕组的结构(单位长度的圈数)、磁芯介电常数以及电流强度决定了磁场强度。根据对数字信号编解码的不同,主要有以采用脉冲调制(ADI公司)和射频调制(芯科实验室)为主的两类产品。而采用巨磁电阻(GMR)效应技术设计的数字隔离器件是另一个例子,以NVE公司和安华高公司为代表。脉冲调制变压器隔离器件 ADI公司的iCoupler隔离器是基于芯片尺寸变压器的磁耦合器,是采用脉冲调制方式实现的数字隔离器件。平面变压器采用CMOS金属层,顶部镀了一层金用于钝化。在镀金层下面的抗高击穿电压的聚酰亚胺层将其顶部的变压器线圈和底部线圈隔离。连接到顶部和底部线圈的高速CMOS电路为每个变压器及其外部信号之间提供接口。晶片级信号处理提供了一种在单颗芯片中集成多个隔离通道以及其它半导体功能的低成本方法。iCoupler技术消除了与光耦合器相关的不确定的电流传送比率、非线性传送特性以及随时间漂移和随温度漂移问题,功耗降低了90%,并且无需外部驱动器或分立器件。数字信号的传送是通过发送大约1ns宽的短脉冲到变压器另一端来实现的,两个连续的短脉冲表示一个上升沿,单个短脉冲表示下降沿。信号传送框图如图2所示。次级端有一个不可重复触发的单稳态电路产生检测脉冲。如果检测到两个脉冲,输出就被置为高电平。相反的,如果检测到单个脉冲,输出就置为低电平。采用一个输入滤波器有助于提高噪声抗扰能力。如果1ms左右没有检测到信号边缘,发送刷新脉冲信号给变压器来保证直流的正确性(直流校正功能)。如果输入为高电平,就产生两个连续的短脉冲作为刷新脉冲,如果输入为低电平,就产生单个短脉冲刷新。这对于上电状态和具有低数据速率的输入波形或恒定的直流输入是很重要的。为了补充驱动器端的刷新电路,在接收器端采用了一个监视定时器来保证在没有检测到刷新脉冲时,输出处于一种故障安全状态。ADI公司ADuM1100器件原理框图如图3所示。图2 ADI公司iCoupler系列数字信号传输框图图3 ADI公司ADuM1100器件原理框图射频调制变压器隔离器件芯科实验室公司是采用射频调制变压器技术研发生产数字隔离器件的典型代表。其Si844x系列器件以一套专利架构为基础,利用标准全CMOS工艺制造多组芯片级变压器,能够提供整合度最高的4通道隔离功能。产品中采用的射频编码和译码机制使得不需要特别考虑或初始设定,就能提供可靠的隔离数据路径。芯科实验室公司产品的优点与ADI公司的产品类似,但也有一个很明显的缺点。由于采用射频调制,内部有2.1GHz的载波产生及检测,载波和谐波会对外界产生电磁辐射,不过电磁辐射值满足FCC(美国通信委员会)标准要求。该公司射频调制隔离器件的实现原理框图如图4所示。图4 射频调制隔离器件实现原理框图巨磁电阻隔离器件NVE公司的IL系列和安华高公司的HCPL-90XX/09XX系列高速数字隔离器件是采用巨磁电阻技术集成的高速CMOS器件。在GMR隔离器中,输入端信号在低电感线圈感应电流,产生正比的磁场。总的磁场改变GMR的电阻,通过CMOS集成电路分析,输出就是输入信号的精确重生。该类器件优点与别的电感式器件类似,但有几个明显的缺点:上电或初始状态时输入与输出可能状态不一致;对输入噪声敏感,伴随一个噪声尖峰,输出不稳定,有可能与输入不一致,也可能一致,还可能会振荡;对较缓的脉冲上升沿,输出可能随输入变化,可能不变,还可能会振荡;输出有过冲;无直流校正功能,无法传输直流信号。NVE公司巨磁电阻隔离器件IL710的实现原理图如图5所示。图5 NVE公司IL710实现原理框图电容耦合隔离器件电容耦合使用不断变化的电场来通过隔离层实现信息传输。电容器极板之间的材料是电介质绝缘体(二氧化硅),即隔离层,这种高性能的绝缘体具有很稳定的可靠性和耐用性以及抗磁干扰能力和抗瞬态电压能力。电极板的大小、板间距离以及电介质材料决定了电气特性。采用电容隔离层的优势是效率高,无论在体积、能量转换还是在抗磁场干扰方面均如此。这种高效特性使得实现低功耗及低成本的集成式隔离电路成为可能。抗干扰性则使得器件可以在饱和或密集磁场环境下工作。与变压器不同的是,电容耦合的缺点在于无差分信号,并且噪声与信号共用同一条传输通道。这就要求信号频率应远高于可能出现的噪声频率,以便使隔离层电容对信号呈现低阻抗而对噪声呈现高阻抗。如同电感耦合一样,电容耦合也存在带宽限制,并需要时钟编码数据。TI公司的ISO72x系列数字隔离器采用电容耦合技术。电容耦合解决方案使用了经过验证的低成本制造工艺,能够提供固有的抗磁场干扰特性。ISO72x使用“AC”与“DC”两种通道进行通信,如图6所示。“AC”通道不经过编码,而是经单端至差分转换后直接通过隔离层传输数据。差分信号传输的优点是可抑制接收机的共模噪声。共模抑制与耦合介质(对噪声呈现高阻抗,对高频数据呈现低阻抗)共同实现了瞬态抗干扰功能。“DC”通道将输入数据转换成脉宽调制(PWM)格式,并使用差分方式通过隔离层传输数据。PWM与隔离层接收侧的脉宽解调器(PWD)可确保稳态条件(1或0的长字符串)下能够正确通信。此外,“DC”通道还可提供自动防护功能。自动防护指的是在出现输入故障的情况下对输出状态的判断。ISO72x系列器件使用载波检测功能来确定输入结构的电源是否处于“开启”以及该结构是否正在运行。如果该载波检测器在4ms内未检测到脉冲,则会将输出设置为逻辑高电平。图6 TI公司ISO72X系列实现原理框图各类数字隔离器件性能比较表1对各类数字隔离器件的性能指标进行了归纳比较,供研发设计师在设计产品时参考。各公司的隔离器件只要通道数相同,都采用相同的封装,引脚相互兼容,仅有部分引脚定义稍有差异,大多数情况下都可相互替换。产品设计师可根据具体需要选择不同公司的产品,也可在调试时更换,给产品设计留下了更多的选择空间。应用实例ADuM1100应用某便携产品设计时收发模块需向信号处理模块提供0、1电平的状态线1根和40MHz方波时钟,系统要求信号处理模块需对这两根信号线进行隔离接收。最初设计时选用了安华高公司的光电隔离器HCPL-063实现状态线的隔离,NVE公司的IL710实现时钟的隔离。改进设计时,电路板不变,充分利用ADI公司ADuM系列隔离器件的直流校正功能,直接用ADuM1100替代HCPL-063和IL710,实验结果性能良好。当然,也可用TI公司的ISO721替代。若电路板重新设计,则可选用双通道具有直流校正功能的隔离器件,如ADI公司的ADuM1200或TI公司的ISO7220,来替代单通道的HCPL-063和IL710器件。ADuM5241应用某通信设备的控制模块需与外部设备通过RS-422异步串口进行通信,系统要求通信设备的控制模块内异步串口需与其它电路进行隔离。开始设计时,选用TI公司的隔离电源转换芯片DCR01,将内部一路+5V电源转换成一路单独+5V,给隔离芯片IL712和电平转换芯片RS422供电,隔离所需电源的电流大约为5mA。改进设计时,由于ADI公司的ADuM5241除了实现数字信号的隔离作用外,还内置了DC/DC转换器,能向该芯片隔离端提供电源,并向采用5V电源的各种应用提供高达10mA的电流。故采用ADuM5241器件代替DCR01和IL712器件,实现了同样的功能,同时节约了空间,减少了器件,降低了成本。结语随着数字电路和通信产业的飞速发展,数字隔离器件得到了广泛的应用。本文介绍了最新几种数字隔离技术及器件的工作原理和优缺点,电路设计师可根据具体的电路特点,选择合适的数字隔离器件。■参考文献1. Chris Sterzik. 数字隔离技术原理与新型电容耦合数字隔离器. TI公司2. Scott Wayne. iCoupler数字隔离器保护工业、仪器和计算机应用中的RS-232、RS-484和CAN总线3. 安华高公司. HCPL-0723数据手册. AV01-0566EN.pdf, 2007年9月4. 安华高公司. HCPL-0900数据手册. AV02-0137EN.pdf, 2007年5月5. ADI公司. ADuM1100数据手册. ADuM1100.pdf, REV.E6. NVE公司. IL710数据手册.IL710.pdf, 2005年5月7. TI公司. ISO72X手册.SLLS629B.pdf, 2006年5月相关阅读:数字隔离器大观,原理,应用案例,设计技巧,选型要素

    时间:2018-09-03 关键词: 电源技术解析 光电隔离器 电感式隔离器 巨磁电阻隔离器 电容耦合隔离器 数字隔离器

  • 数字隔离器为工业电机驱动应用带来性能优势

    数字隔离器为工业电机驱动应用带来性能优势

    简介工业电机驱动中使用的电子控制必须能在恶劣的电气环境中提供较高的系统性能。电源电路会在电机绕组上导致电压沿激增现象,而这些电压沿则可以电容耦 合进低电压电路之中。电源电路中,电源开关和寄生元件的非理想行为也会产生感性耦合噪声。控制电路与电机和传感器之间的长电缆形成多种路径,可将噪声耦合到控制反馈信号中。高性能驱动器需要必须与高噪声电源电路隔离开的高保真反馈控制和信号。在典型的驱动系统中,包括隔离栅极驱动信号,以便将逆变器、电流和位置反馈信号驱动到电机控制器,以及隔离各子系统之间的通信信号。实现信号隔离时, 不得牺牲信号路径的带宽,也不得显著增加系统成本。光耦合器是跨越隔离栅实现安全隔离的传统方法。尽管光耦合器已使用数十年,其不足也会影响系统级性能。变速电机驱动器在工业应用中的广泛使用要归功于高效电源开关和具有成本优势的电子控制电路。设计上的困难则是用低压控制电路耦合高功率开关电路,而不牺牲抗噪性能或开关速度。图1. 包括寄生元件的逆变器电路。现代开关逆变器的效率一般超过95%,所用功率晶体管开关还可连接高压直流轨高轨与低轨之间的电机绕组。这一过程可以减少逆变器的损耗,因为功率晶体管工作于完全饱和模式下,而该模式会降低传导时的压降和功率损耗。开关过程中还存在额外的功率晶体管损耗,因为在此期间,晶体管上有一较大的电压,与此同时,负载电流在高、低功率设备之间进行切换。功率半导体公司设计出IGBT之类开关时间较短的晶体管,以减少这 种开关功率损耗。然而,这种较高的开关速度也会带来 一些无用的副作用,比如开关噪声增加。在驱动器控制端,VLSI工艺的持续进步改善了混合信号 控制电路的成本和性能,为高级数字控制算法的广泛应 用以及交流电机效率的提高创造了条件。提升性能付出 的代价是IC工作电压从12 V至5 V降低至现在的3.3 V, 结果提高了对噪声的灵敏度。这种传统的噪声过滤方法 通常不太适用,因为往往需要维持驱动系统的带宽,而 带宽一般都是一个关键的性能参数。电机驱动逆变器环境三相逆变器是一种功率电子开关电路,控制功率从直流供电轨到三个交流电机绕组的流动。逆变器有三条相同的腿,每条腿包括两个IGBT晶体管和两个二极管,如图1所示。每个电机绕组均连接至通过分流器连接高端晶体管和低端晶体管的同一节点。逆变器使电机绕组在直流总线的高压轨和低压轨之间切换,以控制平均电压。绕组具有极高的电感性,将阻挡电流的变化,因此,当功率晶体管关闭时,电流将开始在连接至相反电源轨的二极管中流动。这样,即使逆变器功率设备和直流链路电容中存在断续传导,也会有电流连续流到电机绕组中。电机绕组阻抗充当来自逆变器的高压脉冲宽度调制方波输出电压的低通滤波器。将低压控制电流连接至逆变器时存在巨大的困难。一个基本问题是,高端晶体管发射器节点在高压总线高供电轨与低供电轨之间切换。首先,高端驱动器必须能够驱动相对于一个发射器(可能比共用输入信号高300 V或以上)的栅极信号。其次,通过分流器(vsh)的电机电流信号必须从300 V或以上的共模电压中提取出来。其他问题将由电源电路中的寄生元件导致。当功率晶体管或二极管的开关频率超过1 A/ns时,即使是10 nH的PCB走线电感也可能导致显著的电压(>10 V)。寄生电感和部件电感会导致振铃,结果使设备开关产生的噪声脉冲的持续时间变长。甚至电机电缆的高频阻抗也可能带来问题,因为出于安全考虑,配电板可能离电机很远。其他效应包括噪声从电机耦合到反馈传感器信号中,其原因是快速切换的绕组电压波形。问题将变得更加严重,因为驱动电路的功率额定值将增加电路板的物理尺寸,结果将进一步增加寄生电感,甚至提高电流和电压开关速率。通过隔离控制和电源电路消除噪声耦合现象,是应对这一问题的主要工具之一。隔离电路的性能是决定驱动性能的一个关键因素。在转轴转动时,转轴位置编码器将产生频率为100 kHz或以上的数字脉冲流。然而,在许多情况下,编码器上安装的电路会提高设备的精度,并使数据速率增加到10 Mbps以上。另外,跨越分流器的反馈信号也可以隔离,方法是先把数据转换成数字位流,然后把该位流与低功耗电路隔离开来。这种情况下,数据速率为10 Mbps至20 Mbps。栅极驱动电路所需要的开关性能似乎并不高,因为电机驱动逆变器的开关速率很少超过20 kHz。然而,需要在高端设备和低端设备的开关信号之间插入一个死区,以防止发生直通。死区为功率开关的开启和关闭延迟以及隔离电路所致延迟的不确定性的函数。死区延长会给逆变器传递函数带来更多非线性,结果将产生无用的电流谐波,并可能降低驱动效率。因此,跨越电源电路和控制电路之间的隔离栅发送数据的方法不得在开关过程中带来时序的不确定性,并须具备较强的抗噪能力。隔离器技术传输速率比较隔离不得给整体系统性能带来任何显著的时序不确定性或时序误差。标准光耦合器的传播延迟为微秒级,可能因器件而异,因温度和寿命而异。光耦合器技术在时序性能方面存在一些根本的不足,而现代数字隔离器采用完全不同的运算原则,其速率也更高。可以在有所折衷的情况下增加光耦合器的速率。光耦合器的工作原理是,将来自LED的光发送至一种光学透明的隔离材料,并用另一端的光电二极管检测光。光耦合器的速度与光电二极管检波器的速率以及为其二极管电容充电的时间直接相关。减少传播延迟的一种方法是增加发射的光量。通过提高LED电流,可以使延迟减少2或3倍,但其代价是设备功耗会增加,每个数据通道最高将达50 mW。提高速度的另一种办法是通过使用更薄的隔离栅来减少光传输损耗。为了维持相同的隔离能力,需要增加一层材料,但代价是成本也将增高。更快的光耦合器比标准的低成本光耦合器要贵许多倍。相反,数字隔离器则是采用标准的高速CMOS工艺,并搭载隔离式片内微变压器。其传输速率自然比光耦合器快很多。较高的速度是电路和设计与生俱来的特点,不需要更复杂、成本更高的隔离材料也可实现更高的速度。变压器可以以最高150 Mbps的传输速率传递数据,传播延迟低至32 ns,功耗<5 mW,开关速率为25 kHz或以上。速度更快的另一个好处是,通道间的匹配优于5 ns,比标准光耦合器高出了一个数量级,仅以大约一半的单位通道成本即可实现比光耦合器快3至4倍的卓越性能。图2. 光耦合器内部结构图3. 基于变压器的数字隔离器的结构隔离的抗噪性在电机驱动系统中,隔离还提供了一个分离噪声源的机会,方法是以电流方式将噪声从功率开关电路和控制电路之中隔离开来。以下各项之间有安全隔离需求:高压总线、线路电压和用户界面,以同时保护人、保护其他设备。还需要在功能上使高端开关和低端开关与控制电路相隔离。隔离元件必须能提供必要的隔离,同时也需对嘈杂环境不敏感。衡量隔离器分离地域之间高速噪声的能力的指标一般称为共模瞬变抗扰度(CMTI)。CMTI旨在衡量一个隔离器在隔离器数据通信不被噪声打断的情况下,对隔离栅中的电压噪声的抑制能力。其单位是kV/μs瞬变。电压瞬变噪声跨越隔离栅的路径一般是寄生电容跨过隔离器中的隔离栅。光耦合器的CMTI一般较差,为15 kV/μs。一些现代数字隔离器采用电容耦合数据隔离技术,其信号和共模噪声使用同一路径。基于变压器的隔离器(如ADI的iCoupler数字隔离器)的信号路径不同于噪声路径,其CMTI的值一般为50 kV/μs或以上。隔离材料和可靠性数字隔离器采用晶圆CMOS工艺制造,仅限于常用的晶圆材料。非标准材料会使生产复杂化,导致可制造性变差且成本提高。常用的绝缘材料包括聚合物(如聚酰亚胺PI,它可以旋涂成薄膜)和二氧化硅(SiO2)。二者均具有众所周知的绝缘特性,并且已经在标准半导体工艺中使用多年。聚合物是许多光耦合器的基础,作为高压绝缘体具有悠久的历史。安全标准通常规定1分钟耐压额定值(典型值2.5 kV rms至5 kV rms)和工作电压(典型值125 V rms至400 V rms)。某些标准也会规定更短的持续时间、电压浪涌(如10 kV峰值并持续50 µs)作为增强绝缘认证的一部分要求。聚合物/聚酰亚胺隔离器可提供最好的隔离特性(见表1)。聚酰亚胺数字隔离器与光耦合器类似,在典型工作电压下,工作寿命超过电机,额定使用寿命为50年。SiO2隔离器的工作寿命与之接近,但是,对高能浪涌的保护能力却较弱。在高温连续使用的情况下,影响光耦合器寿命的可能不是隔离材料的分解而是LED磨损。当温度>85°C时,工作1万小时,光耦合器的电流传输比(CTR)将下降10%至20%。10万小时时,CTR可能会下降一半或以上。表1. 隔离材料性能比较集成可能性光耦合器LED和优化的光检波器不兼容低成本CMOS技术。要集成带去饱和检测功能的栅极驱动、用Σ-Δ ADC实现隔离电流检测以及多向数据流等其他功能,就必须采用多芯片解决方案,结果将使带这些功能的光耦合器变得非常昂贵。采用CMOS技术和隔离式变压器的数字隔离器可以随着集成度的提高而自然而然地添加这些功能。由于变压器也可用来发射隔离功率,因此,可从相同的封装发射高端功率,而无需会给某些应用带来问题的自举。目前,市场上有基于变压器的数字隔离器,在单个封装中集成了dc/dc转换器、Σ-Δ ADC、栅极驱动器、I2C、RS-485收发器、RS-232收发器和CAN收发器,使电机控制系统同时实现了尺寸和成本的优化。实用的应用电路展示了栅极驱动、通信和反馈信号隔离的典型驱动电路如图4所示。在该系统中,隔离的Σ-Δ ADC用来测量电机绕组电流,数字位流则由电机控制IC上的数字过滤电路进行处理。位置编码器包含一个ASIC,由其通过一个隔离式RS-485接口将位置和速度数据发送给电机控制IC。其他隔离式串行接口包括连接PFC的I2C接口以及连接前面板的隔离式RS-232链路。在此例中,PWM信号与逆变器模块隔离,IGBT由一个嵌入该模块中的电平转换栅极驱动器驱动。图4. 典型的中型工业电机驱动系统资源本文提到的产品

    时间:2018-08-27 关键词: adi 电源技术解析 逆变器 电机驱动 隔离控制 数字隔离器

  • 数字隔离器技术大观,原理、应用案例、设计技巧、选型要素

    如今是个数字的时代,数字技术正在逐渐替代原有模拟技术融入我们生活的方方面面。同样,数字隔离器诞生20年来,在越来越多的产品和应用中得以采用,那么什么是数字隔离器?它是怎样实现的?交流电压电机驱动借力数字隔离器,拉开与传统解决方案的距离此文为我们介绍了数字隔离器的大概原理以及在应用中的优势。数字隔离器的应用设计也日臻成熟:利用数字隔离器简化设计并确保系统可靠性利用数字隔离器解决汽车xEV应用中的设计难题数字隔离器是一种方便易用的USB隔离方法数字隔离器在工业、通讯、能源领域电子设计中的运用电容式数字隔离器应用设计甚至可在非隔离应用中将数字隔离器用作电平转换器在选择数字隔离器时有哪些窍门?数字隔离器选型及应用经验谈正确选择数字隔离器的三要素能给大家带来一些提示。典型数字隔离器件的对比分析及选型指导还给出一些典型器件的性能比较。数字隔离器的浪涌测试告诉我们,应用时,也不要忘了对产品作必要的测试,以求万无一失。更多关于数字隔离器的技术资讯,欢迎访问与非网 数字隔离器技术专区

    时间:2018-08-23 关键词: 电源技术解析 浪涌测试 usb隔离 电容式数字隔离器 数字隔离器

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