高速數(shù)字隔離器產(chǎn)品

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1、高速數(shù)字隔離器產(chǎn)品ISO72x系列概要本應(yīng)用報告概述了高速數(shù)字電路中電子隔離的必要性、實施以及特性，討論了在一個隔離層上進行光、磁（電感）和電氣（電容）信號傳輸?shù)膬?yōu)點和缺點，并對ISO72x系列數(shù)字隔離器中使用的電容耦合技術(shù)作了特別的重點闡述。1引言隔離就是將一部分與其他部分中的非理想影響分離開來。在電子電路中，電介質(zhì)通過阻斷直流電(dc)實現(xiàn)電路隔離。那么被隔離的電路如何在一個更大的電氣系統(tǒng)中運行呢？這個問題的答案便是本應(yīng)用報告的主題。隨著德州儀器(TI)和其他供應(yīng)商推出的產(chǎn)品數(shù)量不斷增加，隔離信號的傳輸選項也隨之增加，從而使設(shè)計人員

2、在產(chǎn)品選擇上變得更加復(fù)雜。本報告闡述了隔離器的重要特性，并說明了各產(chǎn)品之間的差異和相似之處。在對電路隔離的必要性進行回顧之后，我們對電介質(zhì)信號傳輸?shù)娜N方法以及模擬對數(shù)字隔離器進行了討論，并對每一類型數(shù)字隔離器的實例進行了描述和對比。2電路隔離的必要性隔離電路的主要原因是保護電路不受危險電壓和電流的損壞。在圖1的醫(yī)療應(yīng)用實例中，即使是小量的AC電流也有可能造成致命的傷害，因此需要采用一個隔離層來保護病人。隔離還可對敏感電路進行保護，使其免于受到工業(yè)應(yīng)用中出現(xiàn)的高壓損壞。圖2的工業(yè)實例僅為一個高壓測量法。將傳感器與實際高壓相隔離使得對低壓

3、電路的測量成為可能。圖1、電源和病人之間可能的電路通路圖2、高壓和低壓電路之間的隔離保護原理是將高電壓電位(potential)隔離，其可能出現(xiàn)在各系統(tǒng)或電路中，如圖3中的線纜應(yīng)用所示，其中的長距離可以將一個驅(qū)動器和接收機隔離。經(jīng)過如此的長距離，接地可能處在不同電壓中。通過隔離，在隔離器而非敏感電路中形成電壓差。圖3、設(shè)備之間的接地電壓差如圖4所示，通過相對于其他電路組件而言的高阻抗，隔離中斷了由電路通路形成的環(huán)路。通過中斷該環(huán)路，噪聲電壓出現(xiàn)在隔離層上，而非出現(xiàn)在接收機或更為敏感的組件上。噪聲電壓的高電平可以由外部電流或電壓源（例如：

4、電感馬達和閃電(lightning)）耦合。圖4、各隔離中斷節(jié)點之間的接地環(huán)路3電路隔離器在允許通過電磁或光鏈路進行模擬或數(shù)字信號傳輸?shù)耐瑫r，電路隔離器阻礙了各電路之間的低頻電流。數(shù)字隔離器傳輸二進制信號，模擬隔離器則在隔離層上傳輸連續(xù)信號。在模擬和數(shù)字隔離器中，工作和峰值額定電壓以及共模瞬態(tài)抗擾度均為這種隔離層的重要特性。當(dāng)對數(shù)字信號進行隔離時，隔離電路的這些重要特性為輸入和輸出邏輯電壓電平、信號速率、數(shù)據(jù)運行長度以及自動防護響應(yīng)。傳統(tǒng)上而言，為滿足特殊需求時，變壓器、電容器或光電二極管晶體管及分立電路以輸入和輸出信號為條件。這種方法

5、是有效的，但卻不能將其從一種應(yīng)用轉(zhuǎn)移至另一種應(yīng)用中。盡管這樣可能會保持模擬隔離器的情況，但市場中已經(jīng)出現(xiàn)了新一代數(shù)字隔離器，其使用創(chuàng)新電路在超過100Mbps直流電信號速率的條件下對標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號進行隔離。這些通用數(shù)字隔離器均具有其各自的優(yōu)點和缺點。以下幾段內(nèi)容將對各種不同技術(shù)進行介紹，并將具體產(chǎn)品同TI推出的新型ISO72x系列產(chǎn)品進行對比。3.1光耦合技術(shù)光耦合技術(shù)是在透明絕緣隔離層（例如：空氣間隙）上的光傳輸，以達到隔離目的。圖5顯示了一款數(shù)字隔離器的主要組件。該電流驅(qū)動器采用數(shù)字輸入，并將信號轉(zhuǎn)換為電流來驅(qū)動發(fā)光二極管(LED)。

6、輸出緩沖器將光電探測器的電流輸出轉(zhuǎn)換為一個數(shù)字輸出。圖5、基本光耦合機制光耦合技術(shù)的主要優(yōu)點是，光具有對外部電子或磁場內(nèi)在的抗擾性，而且，光耦合技術(shù)允許使用恒定信息傳輸。光耦合器的不足之處主要體現(xiàn)在速度限制、功耗以及LED老化上。一個光耦合器的最大信號速率取決于LED能夠開啟和關(guān)閉的速度。從當(dāng)前可供使用的產(chǎn)品來看，最快的光耦合器是HCPL-0723，其可以達到50Mbps的信號速率。從輸入到輸出的電流傳輸比(CTR)是光耦合器的一個重要特性，LED一般會要求10mA的輸入電流，以用于高速數(shù)字傳輸。這種比率對用于驅(qū)動LED的電流和由光電晶

7、體管產(chǎn)生的電流進行調(diào)節(jié)。隨著時間的推移，LED變得更為低效，同時要求更多的電流來產(chǎn)生相同等級的亮度以及相同等級的光電晶體管輸出電流。在許多數(shù)字隔離器中，內(nèi)部電路控制LED驅(qū)動電流，并且用戶無法對逐漸下降的CTR進行補償。LED的優(yōu)勢減弱了，并且隨著時間的推移隔離器不再像以前那樣有效了。3.2電感耦合技術(shù)電感耦合技術(shù)使用兩個線圈之間的變化磁場在一個隔離層上進行通信。最常見的例子就是變壓器，其磁場大小取決于主級和次級繞組的線圈結(jié)構(gòu)（匝數(shù)/單位長度）、磁芯的介電常數(shù)，以及電流振幅。圖6顯示了一款具有信號調(diào)節(jié)電路模塊的變壓器。圖6、電感隔離電感

8、耦合技術(shù)的優(yōu)點是，可能存在的共模差異和差分傳輸特性。變壓器的精心設(shè)計允許噪聲和信號頻率重疊，但是會呈現(xiàn)出噪聲高共模阻抗和信號低差分阻抗。另一個優(yōu)點是，信號能量傳輸可以為近100%的效率，從而使低功耗隔離器成