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工程師之數位隔離指南
 

【作者: Mouser】   2020年05月12日 星期二

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「隔離」是當下許多電子產品設計固有部分。在工業領域中,控制機櫃功能之間彼此的互連,驅動器到馬達,以及到有線網路互連都是需要隔離的應用示例。本文說明數位隔離器IC是一種可行、體積緊湊且功耗較低方法,能夠在多種雜訊環境中提供數位訊號的電氣和實體隔離。


隔離技術概論

隔離涉及電路各個部分之間訊號的電氣和實體隔離。一個典型隔離實例是將類比感測器的輸出訊號電隔離,之後饋入ADC,另一個示例是將線路供電AC-DC電源輸出與患者相連的血壓計進行隔離。在這兩種狀況下,電氣隔離都消除了在電源處發生高壓瞬態尖峰可能性,從而不會損壞所連接電路。


對於高壓電源,這還提供了一個電氣隔離屏障,有助於符合旨在保護用戶免受電擊的國際公認安全標準。電氣隔離另一個好處是,可以消除接地滲漏電流,並斷開電路或設備兩個不同部分之間接地環路。


隔離是當下許多電子產品設計固有部分。對於在如工業自動化設備控制系統等電氣雜訊環境下運作的應用尤其如此,其中感測器輸入需要連接到容易被高壓瞬態損壞的積體電路。在工業領域中,控制機櫃功能之間彼此的互連,驅動器到馬達,以及到有線網路互連都是需要隔離的應用示例。


總體來講,主要隔離要求是從輸入到輸出。但是,在有多個相關訊號需要隔離的地方,所有訊號或通道之間都需要隔離。請注意,要實現真正電氣隔離,需要輸入和輸出具有獨立,且彼此未連接之接地路徑。


隔離可以在類比域或數位域中進行。類比隔離放大器是實現隔離的一種常用方法,例如它可用在類比溫度感測器和相關ADC之間。在這種狀況下,隔離放大器本身成為隔離元件或實體隔離。但是,為了減輕電磁感應雜訊影響,越來越多工程師傾向於在感測後儘快將類比訊號移入數位域。實際上,許多用於感測環境因素的類比感測器元件現在都把高精度ADC和低功耗微控制器整合在單個緊湊型封裝中。


有幾種不同方法可以實現電氣和實體隔離。電容式隔離涉及要讓電荷穿過隔離障壁,而電感技術則使用具有獨立繞組變壓器作為障壁。這兩種方法都適用於相對較高數據速率,然而電感方法易受本地磁場干擾,電容式隔離也可能會受到雜散電場影響。


光耦合器IC是一種流行且有效技術,它在單個封裝中整合有一個LED和一個光二極體,其間由氣隙分隔。與其他方法相較,LED較高能耗和相對較低開關速度往往會使這種隔離方法受到限制。


數位隔離器IC架構

四通道電流數位隔離器IC的一個示例是超低功耗、基於CMOS的高速Silicon Labs Si864x系列,它們具有高達150Mbps運作速度,依據UL 1577可提供高達5000Vrms隔離長達一分鐘,並且可容許2.5至5.5VDC電源,而且透過2.5VDC電源以100Mbps運作時,每個通道功耗僅為3.5mA。


Si864xT型號是Si864x系列的一個變體,可提供高達10kV增強浪湧電壓隔離,符合VDE 0884-10規範。Si864x系列還提供符合AEC-Q100要求的汽車級變體,其瞬態抗擾度高達50kV/μs,整個系列中所有IC傳播延遲通常小於10ns。在推薦電壓範圍內操作時,數位隔離器IC使用壽命為60年。


Si864x 系列 在每個通道上都使用基於半導體的隔離障壁,調變RF訊號可在該通道上傳播(見圖一)。



圖一 : Silicon Labs Si864x數位隔離器IC的單通道操作簡化圖表。(source:Silicon Labs)
圖一 : Silicon Labs Si864x數位隔離器IC的單通道操作簡化圖表。(source:Silicon Labs)

「A」發送器通道使用RF振盪器將載波訊號饋送到調變器,因此當邏輯「1」存在時,則調變訊號越過障壁到達「B」通道接收器。接收到訊號被解調並發送到輸出。這種RF開/關鍵控隔離技術提供了同類最佳抗雜訊能力,並且不受雜散磁場影響,見圖二。



圖二 : 從通道A向通道B接收器發送「1」輸入訊號。(source:Silicon Labs)
圖二 : 從通道A向通道B接收器發送「1」輸入訊號。(source:Silicon Labs)

除Si864x數位隔離器IC的低傳播和高數據速率特性之外,其功耗曲線也非常低。隔離器具有各種緊湊封裝尺寸,從SOIC-16寬型到SOIC-16窄型,再到QSOP,適合於在空間受限設計中使用。


Si864x四通道隔離器系列可提供不同接腳輸出配置選項,可適應各種不同電路板佈局、電源接地和隔離要求,請參見圖三。還可提供具有默認高或低輸出元件變體,以實現無故障安全操作。所有輸出均為三態,帶有一個控制所有輸出的單個賦能(enable)接腳。



圖三 : Si864x系列數位隔離器接腳配置選項。(source:Silicon Labs)
圖三 : Si864x系列數位隔離器接腳配置選項。(source:Silicon Labs)

數位隔離器設計原型

將數位隔離器IC整合到設計中的關鍵在於是否能夠快速創建可用原型。Si86xxISO-KIT 可提供理想的評估板,作為Si86xx原型設計基礎。該評估板具有六個不同Si86xx系列數位隔離器:Si8600、Si8605、Si8621、Si8655和Si8663,請參見圖四


是用於串列通訊匯流排(例如I2C和SMBus)隔離電路原型的理想之選。Si860x IC提供兩個(SDA和SCL)或三個雙向1.7MHz I2C通道,Si866x系列能夠提供六個單向通道(三個正向/三個反向),Si865x為一個五通道單向元件,而超緊湊型Si862x則可提供單個正向和單個反向通道。



圖四 : Silicon Labs Si86xxISO評估板。(來源:Silicon Labs)
圖四 : Silicon Labs Si86xxISO評估板。(來源:Silicon Labs)

除使用IC本身進行原型設計外,值得注意的是,對於某些應用,尤其是那些涉及隔離高電平電壓(超過30Vrms危險)應用,需要對PCB設計也提出一些建議。Si86xx系列數位隔離器可以承受最大隔離電壓取決於具體元件,可分別為2500、3750或5000Vrms,並且最長一分鐘。


PCB佈局時需要依照漏電距離(creepage)和電氣間隙(clearance)來考量最大電壓。電氣間隙是指電弧能夠在空氣中傳播最短路徑,漏電距離則是沿兩個導電元件之間表面絕緣的最短路徑。只要保持PCB強度,在數位隔離器下方PCB銑入凹槽就可以增大漏電距離。除了使用溝槽增大漏電距離外,保形塗層是另一種可用方法,而使用四層PCB則有助於管理EMI敏感性,並保持阻抗。


結論

數位隔離器IC是一種可行、體積緊湊且功耗較低方法,能夠在多種雜訊環境中提供數位訊號的電氣和實體隔離。


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