用數字隔離技術取代隔離放大器的應用實例

　　進行隔離是防止電流在兩個通訊點之間流動的一種方法。一般在兩種情況下采用隔離：第一種情況是，在有可能存在損壞設備或危害人員的潛在的電流浪涌時。第二種情況是必須避免存在不同地電位和分裂的接地回路的互連。兩種情形都是采用隔離來避免電流流過，而允許兩點之間有數據或功率傳送。

　　最近在設計及機械設備的使用方面立法方面都有變化，要求在惡劣環境下幾乎任何類型的數據采集系統都要有隔離。此外，從傳統的單通道隔離系統到采用多通道隔離的應用轉變的趨勢導致引入了新型隔離策略。這些應用涉及高電壓、高速/高精度通信、或者長距離通信。普通的例子如工業I/O系統、傳感器接口、電源/調節桿，發動機控制/驅動系統以及儀器儀表。

　　本文首先回顧了以前的隔離方法及其要素，然后回顧了數字隔離器的工作原理及其在多通道數據采集系統中的應用。

　　早期的隔離技術

　　早期的設計除使用變壓器之外，還使用各種模擬隔離放大器，將工廠地面的傳感器電路與控制室內的信號處理系統進行隔離。在通道數量有限及信號帶寬小的應用中，目前仍在采用這些放大器。圖1示意了一種單通道溫度測量系統中的這類隔離。

　　這些隔離放大器為精密放大器，用來將輸入信號數字傳輸穿過微分容性屏障(圖2)。采用數字調制后，屏障特性就不會影響信號完整性了，結果可靠性極佳，屏障間的高頻瞬態免疫性也很優秀。

　　如圖2，輸入放大器A1對輸入電流(VIN/RIN) 和開關電流源之間的差異進行積分。積分器在超過比較器閾值之前向一個方向斜坡上升。比較器和檢測放大器AS1驅使電流源切換，得到的信號為三角波，占空比是50%。內部振蕩器驅使電流源以高頻率(500 kHz)切換。合成電容驅動是一種補充的占空比調制方波。

　　同時，檢測放大器AS2探測穿過容性屏障的信號變化，將一切換電流源驅動入積分器A2。輸出級根據流過反饋電阻RF的電流對占空比調制電流進行平衡，使在VOUT引腳的平均值等于VIN。輸出反饋環內的采樣保持放大器消除不期望而解調過程固有的電壓紋波。

　　隔離放大器雖然具有高可靠性和高精度，但受限于信號帶寬50 kHz。其老舊的技術要求最小?±4 V的電源，不支持目前的3 V及以下的低電壓應用。此外，其制造過程涉及輸入和輸出部分單獨制作，異常電路匹配的激光微調，以及在兩部分間安裝隔離電容，使這些器件相當昂貴。

　　多通道隔離

　　工業自動控制中的許多數據采集系統采用多輸入通道模數轉換器(ADC)捕獲多個模擬輸入的輸入數據(被測物理量)(圖3)。絕大多數Δ-Σ ADC都具有串行接口來減小封裝尺寸和占板面積。串行接口的復雜性在于需要的慢速控制信號數不同，如片選、功率降低、增益及速度設定以及多路器尋址。不過，所有串行接口都具有時鐘信號和輸出數據(轉換結果)高速傳輸線。

　　因為信號獲取和調理發生在ADC內部，將傳感器電路與信號處理電路隔離的最佳位置是在采用數字隔離器的數字接口處。如前所述，因為接口復雜，隔離器必須能夠傳輸高速ADC轉換結果，同時也要能傳輸低速控制信號。下一部分論述數字隔離器內部工作，說明這些器件如何進行高速及低速數據傳輸的。

　　數字隔離器

　　圖4的隔離器是基于一種電容性隔離屏障技術。此器件由兩個數據通道組成：一個是高頻通道(HF)，帶寬從100 kHz到150 MHz；另一個是低頻通道(LF)，覆蓋范圍從100 kHz到直流。

　　原則上來說，一個單端輸入信號進入HF通道之后被輸入端的非門分離為一微分信號。隨后的電容電阻網絡將此信號微分為瞬變信號，然后再通過兩個比較器轉換成微分脈沖。比較器輸出驅動一個‘或非’門跳轉，其輸出進入一輸出多路器。跳轉的輸出驅動處的一精密邏輯(DCL)測量信號瞬變之間的間隔。如果兩個連續瞬變的間隔超過某一時間限(如在低頻率信號時)，DCL驅使輸出多路器從高頻通道轉向低頻通道。

　　因為低頻輸入信號需要內部電容為受限制的大容量值，這些信號用一內部振蕩器的載波頻率進行寬調制，這樣，得到能通過容性屏障的高頻信號。調制輸入時，需要一個低通濾波器(LPF)將高頻載波從實際數據中除掉，然后再到達輸出多路器。圖5和圖6給出了高頻通道和低頻通道及相應的代表性波形。

　　高頻操作

　　將單端輸入信號分離成微分信號分量A和/A。每個信號分量然后再微分成瞬變B和/B。跟隨的比較器對瞬變進行比較。只要比較器正輸入的電位高于負輸入端電位，比較器輸出即為邏輯高，這樣就將輸入瞬變轉換成了短輸出脈沖了。

　　輸出脈沖置位及復位‘或非’門跳轉。我們可以從真值表看出，‘或非’門配置有一個反向跳轉，即輸入C的高電平將輸出/D置為高，而/C為高電平則將D置為高。因為比較器輸出脈沖持續時間短，就可能出現兩個輸出都為低的情況。這時，跳轉將其之前的輸出狀態存儲了下來。由于/D的信號與輸入信號在形狀和相位上都相同，/D就成為了高速通道的輸出而與輸出多路器相連。

　　低頻通道工作

　　慢輸入信號用一高頻載波進行脈寬調制，信號高則位置A的占空比為90:10，信號低則在此處的占空比為10:90。此后，信號處理與高速通道的不對稱信號處理相同。唯一不同是，低速通道(/D)的高頻成分用一R-C低通濾波器濾波，然后再進入輸出多路器(E)。

　　單個隔離器能夠傳送寬帶數據(從直流直到100 MHz以上)的功能成功完成了概念驗證，隔離器制造商從此得到靈感，制造了雙、三和四路的單向和雙向器件。這些器件用于工業應用中最普遍的數字接口。

　　應用實例

　　隔離工業接口時，需要區分過程控制和工廠自動化應用。這是因為兩者之間的差別會影響到數字接口設計的隔離工作。過程控制一般涉及到檢測某些設備、系統或過程的不同物理量(如壓力“與”溫度)。每一個物理量都用一特定類型的傳感器或變換器，其輸出信號需要特定的信號調理。因此，多種不同的傳感器需要不同的參數設置，如內部增益、采樣率、測量重復性、以及阻抗緩沖。支持寬范圍設置的ADC提供有多個接口控制線，除標準串行接口線要求隔離之外，所有這些控制線也都要求隔離。

　　圖7中，許多不同靈敏度(mV/K)的傳感器測量不同的過程參數，如溫度、壓力和電流。要求有多種增益設置來使各傳感器的ADC的輸入動態范圍最大化。如果期望一個或多個通道輸入變化能比別的通道快，可能就要求采樣率(速度)之間有切換。降低功率功能用來節省測量后的功耗，此功能可使控制器執行其它系統功能。這種高度多功能性要求許多控制通道用兩個四路隔離器隔離。

　　與過程控制相比，工廠自動化常涉及監測多個器件和設備的單個物理量(如溫度‘或’壓力)。因此，這些系統采用多個同類型傳感器，靈敏度和響應時間一致。

　　圖8給出了這樣一種使用了四個同類型熱電耦進行不同設備溫度測量的電路。此應用使用的ADC與圖7電路的相同。不過，因傳感器特性一致，通過連接相關控制引腳(Gain1、Gain2和Speed)將增益和采樣率設置值固定到合適的電源軌(VDD或GND)。工廠自動化中的許多自激系統連續測量其輸入，這樣就需要將/PWDN引腳接到正電源軌上。

　　本系統配置將接口大大簡化為數據、時鐘和地址線的隔離。因此，只需要3:1的四路隔離器。

　　在上述例子中，接口隔離出現在ADC和系統控制器之間。這種方法非常適合每個模塊只需要一個或最多兩個ADC進行通道計數的輸入模塊。如果超過此種情況，而將每個數據轉換器隔離就不經濟了。因此，建議使用本地控制器。這時，每個ADC都通過一個GPIO總線接口與本地控制器通信。不過，實際隔離位于本地到系統的控制器接口。

　　總之，可以肯定地說隔離放大器已經過時了，而數字隔離器正當時。了解系統要求后再決定采用哪種隔離器以及將隔離器置于系統哪個位置。