利用數字隔離器簡化設計并確 保系統可靠性

工業環境中使用的測量器件往往需要進行隔離以確保用戶和系統安全，同時也是為了保證在高共模電壓下獲得準確的測量結果。數字隔離器為光耦合器一類的較老技術提供了一種靠、易用的替代方案。利用數字隔離器，工程師們可以優化隔離系統設計，以降低功耗、保證系統性能，同時無需借助額外的設計裕量來補償缺失或不完整的器件規格。

簡介

設計隔離測量儀器頗具挑戰性，有時甚至會令人沮喪不已。隔離前端可以保護用戶免受測量系統中可能存在的致命電壓的傷害，同時允許工程師在高共模電壓下進行精確的測量。圖1所示為此類測量的一個典型示例。在高壓燃料電池或電池組中，了解單個電池的電壓有助于確保系統的安全運行，同時可以最大限度地延長電池壽命。在確定單個電池的電壓時，我們必須在高達數百伏特的共模電壓下進行測量。在用熱電偶測量載流導體的溫度時，會出現類似的情況。在本例中，系統必須具備測量毫伏級信號分辨率的能力，同時抑制高電平的60 Hz共模噪聲，并保護操作員不受任何危險電壓的傷害。

最初人們用隔離放大器來解決這個問題，但隨著測量帶寬和分辨率的增長，這種解決方案已經過時。現在，執行此類測量的最精確、最經濟、最高效技術是隔離整個測量前端(包括模數轉換器(ADC))，并對系統其余部分實施隔離串行鏈路，如圖1所示。該鏈路可以是一個局部總線(如SPI)，也可以是工業協議(如RS-485)，用以將測量數據長距離傳輸至控制器單元。

可靠性設計

直到大約10年前，光耦合器仍然是隔離數字信號的少數可行解決方案之一。然而，如果問一問不得不用光耦合器進行設計的工程師，您就會了解到，用光耦合器開發高效、可靠的系統是多么的困難，尤其是需要將成本降至最低時。光耦合器使用LED來產生跨越隔離柵的光，以接通和關閉光電晶體管。在用光耦合器進行設計時，必須保證LED能產生足夠的光來接通接收光電晶體管，同時，輸出上升和下降時間也要足夠快，以支持目標頻率下的操作。光耦合器最重要的一個規格是電流傳輸比(CTR)。CTR是光電晶體管上出現的集電極電流與通過LED的電流的比值。

光耦合器CTR不但擁有極寬的容差，而且性能會隨著時間和溫度而下降。為了確保光耦合器能在高溫下使用數年之后繼續工作，工程師必須假設最差情況下的CTR，這本身就極具挑戰性，因為光耦合器數據手冊只列出了室溫下的CTR規格。例如，典型光耦合器的規格表列出了25°C下50%–600%的保證CTR。另外，大多數數據手冊都包含典型圖表，顯示80°C時的CTR僅為20°C時的CTR的大約50%。事實上，沒有數據手冊會列出85°C時的最小CRT，因此，您必須對該值做出假設。另外，有些研究對CTR隨時間發生的下降進行了模擬，但該規格同樣未列于數據手冊中，因此，您必須決定增加多少額外的設計裕量，以保證最終產品能在預期壽命范圍內可靠地運行。設計一個魯棒的隔離器電路意味著，您必須
做出許多工程設計假設，需要在增加的功耗和降低的工作速度之間取舍，留出足夠的裕量以便產品在整個壽命期間可靠運行。

數字隔離器使用非光學方式來橫跨隔離柵發送數據。例如，ADI公司的隔離器采用微變壓器技術來橫跨隔離柵發送脈沖，不存在與光耦合器相關聯的時間和溫度下降效應。這樣，可以針對器件的整個工作溫度范圍發布保證最低和最大功耗、傳播延遲和脈沖失真規格。有了完整的規格，就不需要在您的工作條件下對光耦合器進行廣泛的特性測試，可以直接使用數據手冊中的數據來計算最差情況下的系統性能。您只用看看數字隔離器的保證傳播延遲、偏斜和功耗，即可利用這些數據來計算頂層系統時序規格，就像任何標準數字集成電路一樣。也可使用其他非光學技術，例如容性、射頻(RF)和巨磁阻(GMR)耦合。