高速数字电路中的电气隔离_硬件开发经验-面包板社区

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高速数字电路中的电气隔离

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发表于 2021-12-10 15:18:23

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介绍

本文主要介绍什么是电隔离以及高速数字电路中的电气隔离。本应用说明书概述了高速数字电路中电隔离的必要性、实施方法和特点。本文讨论了光、磁（感）电（容）信号在隔离层上传输的优缺点。特别介绍了ISO72x系列数字电容耦合技术在隔离器中的应用。

什么是电气隔离测试？电气隔离测试是什么意思？

一、电气隔离定义

电隔离是将具有非理想效果的部件与其他部件分开。在电子电路中，电介质是通过阻断直流电来隔离的。隔离电路如何在更大的电气系统中工作？这个问题的答案是本文的主题。随着德州仪器和其他供应商推出的产品数量不断增加，传输隔离信号的选择也在增加，这也使得设计师对产品的选择更加复杂。本文介绍了隔离器的重要特性，并说明了产品之间的异同。

在回顾了电路隔离的必要性后，讨论了介质信号传输和模数隔离器的三种方法，并对每种数字隔离器的实例进行了描述和比较。换句话说，电隔离是一种腐蚀控制方法。导体容易受到来自不同金属的杂散电流的腐蚀。为这些导体提供良好的隔离，这样可以显著地控制腐蚀。

电气隔离是由一个机械开关实现的，当需要时，它将部分电路与主电源系统隔离。

二、电气隔离意义

隔离电路的主要原因是保护电路不受危险电压和电流的影响。在图1的医疗应用示例中，即使是很小的交流电流也会造成致命伤害，因此需要一个隔离层来保护患者。隔离还可以保护敏感电路免受工业应用中出现的高电压的影响。图2中的工业示例只是一个高压测量。将传感器与实际高电压隔离，可以测量低压电路。

图1：医疗应用示例

图2：工业应用示例

保护的原理是隔离各种系统或电路中可能出现的高电位。在图3所示的电缆应用程序中，一个远程驱动程序与接收器隔离。经过如此长的距离，地面可能处于不同的电压。通过隔离，在隔离器中形成电压差而不是敏感电路。

图3：装置间的接地电压差

如图4所示，隔离中断与其他电路元件有关的高阻抗电路路径形成的回路。通过中断环路，噪声电压出现在隔离层上，而不是接收器或更敏感的部件上。高噪声电压可由外部电流或电压源（例如感应电动机和雷电）耦合。

图4：隔离中断电路路径形成的回路

三、电路隔离器

在允许通过电磁或光链路传输模拟或数字信号的同时，电路隔离器防止电路之间的低频电流。数字隔离器传输二进制信号，而模拟隔离器在隔离层传输连续信号。在模拟和数字隔离器中，工作电压和峰值额定电压以及共模瞬态抗扰度是隔离层的重要特性。当隔离数字信号时，隔离电路的这些重要特性是输入和输出逻辑电压电平、信号速率、数据运行长度和自我保护响应。

传统上，变压器、电容器或光电二极管、晶体管和分立电路都根据输入和输出信号进行调节，以满足特定的需要。这种方法是有效的，但它不能从一个应用程序转移到另一个应用程序。虽然这可能会保留模拟隔离器，但市场上已经出现了新一代数字隔离器，它使用创新电路以超过100mbps的直流信号速率隔离标准数字信号。这些通用数字隔离器各有优缺点。以下章节将介绍各种技术，并将特定产品与TI的新ISO72x系列进行比较。

3.1光耦合技术

光耦合是指光在透明的绝缘层（如气隙）上的传输以进行隔离。图5显示了数字隔离器的主要组件。电流驱动器使用数字输入并将信号转换成电流来驱动发光二极管（LED）。输出缓冲器将光电探测器的电流输出转换为数字输出。

图5：基本光学耦合机制

光耦合技术的主要优点是光天生不受外界电子或磁场的影响，而光耦合技术允许恒定的信息传输。光耦的缺点主要体现在限速、功耗和LED老化等方面。

光耦的最大信号速率取决于LED开关的速度。从目前现有产品来看，最快的光耦HCPL-0723，其信号速率可以达到50Mbps。

输入到输出的电流传输比（CTR）是光耦合器和led的一个重要特性，通常需要10mA的输入电流才能实现高速数字传输。这个比率调整用来驱动LED的电流和光电晶体管产生的电流。随着时间的推移，led的效率越来越低，需要更多的电流来产生相同亮度和相同输出电流的光电晶体管。在许多数字隔离器中，内部电路控制LED驱动电流，用户无法补偿下降的CTR。LED的优势被削弱了，隔离器不再像以前那样高效工作。

3.2电感耦合

感应耦合技术利用两个线圈之间不断变化的磁场在隔离层上进行通信。最常见的例子是变压器，其磁场取决于一次绕组和二次绕组的线圈配置（每单位长度的匝数）、铁芯的介电常数和电流振幅。图6显示了一个带有信号调节电路模块的变压器。

图6：电感隔离

感应耦合的优点是可能的共模差分和差分传输特性。设计良好的变压器允许噪声和信号频率重叠，但会表现出高噪声共模阻抗和低信号差分阻抗。另一个优点是信号能量传输效率可以接近100%，使得低功耗隔离器成为可能。

感应耦合技术的主要缺点是外部磁场的磁化（噪声）。工业应用通常需要磁场隔离。例如，运动控制。数字变压器传输的另一个缺点是数据的运行长度。信号转换器在一定的频率和幅度范围内传输信号，其失真是可以接受的。为了使信号保持在可用的变压器带宽内，需要数据运行长度限制或时钟编码。

采用感应耦合的通用数字隔离器在传输低频信号（1或0个长字符）的同时，需要信号处理来传输和重构数字信号。NVE/Avago的Isoloop和ADI（模拟设备公司）的iCoupler使用编码功能并提供支持DC-100Mbps操作的数字隔离解决方案。

ADUM1100是模拟器件ic耦合器技术的一个例子。ADUM1100使用一个基本的变压器跨隔离栅传输信息。这种Isoloop技术（例如HCPL-0900）用电阻网络代替了次级线圈，如图7所示。电阻是由巨磁电阻（GMR）材料组成，它随磁场的作用而变化。电路感应电阻的变化并满足其输出条件。当交流性能得到改善并超过现有光耦合器的性能时，该技术被引入市场。现在，随着ADI的数字隔离器和TI的ISO72x系列器件的引入，这些Isoloop器件的性能已经被超越。

图7:GMR结构

3.3电容耦合

电容耦合技术利用不断变化的电场在隔离层上传输信息。每个电容器板之间的材料是一个介质隔离器，形成一个屏障。板的尺寸、板之间的间距和介电材料都决定了电性能。

图8：电容耦合

使用电容隔离层的优点是尺寸和能量传输效率高，以及对磁场的免疫力。前者使集成低功耗、低成本的隔离电路成为可能；后者使得在饱和或高密度磁场中工作成为可能。

电容耦合技术的缺点是没有差分信号和噪声，信号共享同一个传输通道，这与变压器不同。这要求信号的频率明显高于噪声的预期频率，以便隔离电容器显示信号的低阻抗和噪声的高阻抗。在感应耦合的情况下，电容耦合不能传输稳态信号，需要时钟编码的数据。

3.3.1 TI引入ISO72x--电气隔离试验

TI公司介绍了采用电容耦合技术的ISO72x系列隔离器。电容耦合解决方案采用成熟、低成本的制造工艺，磁场具有固有的抗扰性。

为了提供恒定的信息传输，ISO72x使用高信号速率和低信号速率信道进行通信，如图9所示。高信号率信道不编码，它通过隔离层上的单端差分转换传输数据。低信噪比信道以脉宽调制格式编码数据，并在隔离层上进行差分传输，以确保在恒定条件下（长1和0个字符）进行精确通信。

单端逻辑信号的差分传输隔离层允许使用低电平信号和小型耦合电容器。这为共模噪声提供了高阻抗，并通过抑制接收机上的共模噪声提供了极好的瞬态抗扰度。这是信号电容耦合需要解决的主要问题。

表4：可靠性测量

3.4隔离性能

三个主要标准验证了隔离保护的必要性，即UL 1577、IEC 60747-5-2和CSA。尽管每个标准略有不同，但它提供了一个比较隔离性能的标准。通过IEC、UL和CSA测试，确认输入和输出之间的电压超过介电击穿范围。这些标准的使用非常简单，因为测试标准与隔离方法无关。图10显示了隔离测试如何将隔离器视为两个终端设备。虽然每个器件的物理结构不同，但隔离测试是在介质击穿电压下进行的。

图10：隔离试验

ISO72x系列隔离器通过UL 1577、IEC 60747-5-2、IEC 61010-1和CSA进行测试。表1显示了这五种设备的隔离性能，说明了三种隔离技术。

设备	使用的技术	UL1577(VRMS)	IEC 60747-5-2，电压(Vpp)
IS0721	电容隔离	2500	560
成人1100	电感隔离	2500	560
HCPL-0900型	电感隔离	2500	Now reviewed
HCPL-0721/ HCPL-0723	光隔离	3750	560

表1：隔离性能

UL、CSA和IEC三种测试方法都是对绝缘质量的测试。UL和CSA测试是使用制造商设定的时间来测试介质击穿电压的压力测试。电介质击穿是该试验失败的一个征兆。IEC测试使用一种称为局部放电的现象来检测电介质中的空隙。向设备施加一个大电压，这是制造商定义的工作电压的函数，然后降低到另一个电压等级Vm。在这种低电压应用中，被测设备被监测介质中的无效局部放电。这些低效率导致了整个电介质的最终崩溃。

3.5瞬态抗扰度

高转换率（高频）瞬变会干扰隔离层上的数据传输。隔离电容器提供如图11所示的路径，允许瞬态事件通过隔离屏障并破坏输出波形。法拉第屏蔽使光耦或感应耦合器中的这部分位移电流远离重要的输出结构。

图11：隔离器电容

在电容耦合解决方案中，法拉第屏蔽不是一个可行的解决方案。除了瞬变，法拉第屏蔽层还可以屏蔽用于数据传输的电场。为了提供瞬态抗扰度，ISO72x系列电容隔离器仅传输fo信号（仅代表最高频率能量的数据信号）。

这使得耦合电容具有高频噪声频率。另一种噪声来自于在隔离层上传输数据的差分技术。图9显示了通过电容隔离层的四个信号；其中两个包含低信号率信息，另两个包含高信号率信息。通过使用差分技术，任何通过隔离屏障的剩余共模瞬态都可以在真实信号和补偿信号中看到，并且差分接收器可以抑制它们。如表2所示，ISO72x系列器件的瞬态抗扰度高达25kV/us，与其他同类器件相当。

设备	使用的技术	瞬态抗扰度
IS0721	电容器瞬态抗扰度	25
ADuM1100	电容器瞬态抗扰度	25
HCPL-0900	电容器瞬态抗扰度	15
HCPL-0721/HCPL-0723	光瞬态抗扰度	10

3.6自动保护

数据线电路和数字隔离器需要注意输入信号和输出状态的损失。当电缆断开或直接从隔离器输入端切断电源时，可能会出现输入损耗。自动保护是指输入丢失时的确定或已知的输出状态。ISO72x系列使用周期性脉冲来确定输入结构是否通电和工作。如果隔离器输出在4us后没有接收到脉冲，则输出设置为高状态。ADUM11 ADUM1100还在IC的输出端口集成了一个自动保护电路。Anwar Technology推出的光学解决方案（HCPL-0721和-0723）并未提及自动保护，而感应式GMR解决方案（HCPL-0900）则明确描述了功率排序过程中输出的不确定性。

3.7功耗

除了隔离层的信号传输效率外，输入和输出调节电路的设计与功耗最相关。比表中所示的光耦合器或电容器消耗更多的功率。

器件型号	使用的技术	Vcc1 and Vcc2	Icc1(mA)	Icc2(mA)	功耗（mW）
ISO721	电容耦合	5	1	11	60
ISO721	电容耦合	3.3	0.5	6	21.5
ADuM1100	电感耦合	5	0.8	0.06	4.3
ADuM1100	电感耦合	3.3	0.3	0.04	1.2
HCPL-0900	电感耦合	5	0.018	6	30
HCPL-0900	电感耦合	3.3	0.01	4	13.2
HCPL-0721	光耦合	Only 5	10	9	95
HCPL-0723	光耦合	Only 5	10	17.5	137.5

表3：静态电源电流

3.8可靠性

平均失效时间（MTTF）是衡量半导体器件可靠性的标准方法。对于数字隔离器，这种测量显示了集成电路和隔离机制的可靠性。表4显示了光学、电感和电容数字隔离器的MTTF。与感应和光学解决方案相比，ISO721是非常可靠的。

			典型值，60%置信度		典型值，90%置信度
设备	使用的技术	环境温度	MTTF （小时/故障）	PIT （故障/10 nine小时）	MTTF （小时/故障）	PIT （故障/10 nine小时）
ISO721	电容耦合	125	1,246,889	802	504,408	1983
HCPL-0900	光耦合	125	288,118	3471	114,654	8722
HCPL-0721	光耦合	125	174,617	5727	69,487	14,39

表4：可靠性测量

ADUM1100可靠性数据表没有明确说明MTTF，但它提供了可靠性测试的结果。表5显示了ISO721和ADUM1100可靠性测试参数。

器件型号	使用的耦合技术	结温	时间（小时）	样品数量	不合格品
ISO721	电容耦合	150<TJ<175	1000	344	0
ADuM1100	电容耦合	150<TJ<175	500	231	0

表5：原始可靠性数据

3.9外部磁场抗扰度

图12比较了ADUM1100和ISO72x的磁场抗扰度（未找到HCPL-0900的数据）。相对而言，虽然这两个例子对磁场有一定的免疫力，但ISO72x提供了更大的裕度。如前所述，光耦隔离电路对外部磁场具有固有的磁化抗扰度。

图12：对外部磁场的敏感性

四、电气隔离结论

降噪和噪声保护使隔离器广泛应用于中断接地回路和隔离接地电压差的电子电路中。设计人员现在有许多数字信号隔离的选择，包括TI的ISO72x系列的关键功能。如信号速度、介质击穿电压、瞬态冲击电阻、功耗、磁场抗冲击性和可靠性等各方面都有良好的表现。表6总结了本报告中讨论的示例的特点。

设备	使用的技术	VCC（V）	信号速率（Mbps）	UL1577（VRMS）	Transient immunity (V / s)	功耗（mW）	磁场抗扰度	可靠性（MTTF），60%置信度（小时/故障）
ISO721	电容耦合	3.3或5	150	2500	25	60	+	1.25M
ADuM1100	电感耦合	5	100	2500	25	4.3
ADuM1100	电感耦合	3.3	50	2500	25	1.2
HCPL-0900	电感耦合	5	100	2500	15	30		288K
HCPL-0900	电感耦合	3.3	100	2500	15	13.2		288K
HCPL-0721	光耦合器	5	25	3750	10	95	++	175K
HCPL-0723	光耦合器	5	50	3750	10	137.5	++