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高速PCB設計指南之三：信號隔離技術
2015/03/10
Levi
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信號隔離使數字或模擬信號在發送時不存在穿越發送和接收端之間屏障的電流連接。這允許發送和接收端外的地或基準電平之差值可以高達幾千伏，并且防止了可能損害信號的不同地電位之間的環路電流。信號地的噪聲可使信號受損。隔離可將信號分離到一個干凈的信號子系統地。在另一種應用中，基準電平之間的電連接可產生一個對于操作人員或病人不安全的電流通路。信號的性質可以為電路設計人員指明系統可考慮的那些正確的IC。
第一類隔離器件依賴于無發送器和接收器來跨越隔離屏障。這種器件曾用于數字信號，但線性化問題迫使模擬信號隔離采用變壓器，用調制載波使模擬信號跨越這個屏障。變壓器怎么說總是難弄的，而且通常不可能制成IC，所以想出了用電容器電路來耦合調制信號以跨越屏障。作用在隔離屏障上的高轉換率瞬態電壓可做為單電容屏障器件的信號，所以已開發出雙電容差分電路以使誤差最小。現在電容屏障技術已應用在數字和模擬隔離器件中。
1、隔離串行數據流
隔離數字信號有很大選擇范圍。假若數據流是位串行的，則選擇方案范圍從簡單光耦合器到隔離收發器IC。主要設計考慮包括：
?所需的數據速率
?系統隔離端的電源要求
?數據通道是否必須為雙向
基于LED的光耦合器是用于隔離設計問題的第一種技術。現在有幾件基于LED IC可用，其數據速率為10Mbps及以上。一個重要的設計考慮是LED光輸出隨時間減小。所以在早期必須為LED提供過量電流，以使隨時間推移仍能提供足夠的輸出光強。因為在隔離端可能提供電很有限，所以需要提供過量電流是一個嚴重的問題。因為LED需要的驅動電流可以大于從簡單邏輯輸出級可獲得的電流，所以往往需要特殊的驅動電路。
對于高速應用和在邏輯信號控制下使數據流反向轉送的情況，可用Burr-Brown公司的ISO 150數字耦合器。圖1示出ISO150的雙向應用電路。通道1控制通道2的傳送方向，并配置為從A端傳送到B端。加到DIA引腳的信號確定信號的流向。送到B端的高電平把通道2的那一端置為接收模式。而加到通道2A端Mode引腳的低電平則把通道置成發送模式。方向信號的狀態在隔離屏障的兩邊都有。此電路可工作在80MHz的數據率下。
位串行通信的第二種變形是正在發展中的差分總線系統裝置。這些系統由RS-422、RS-485和CANbus標準描述。某些系統很幸運地具有公共地，而很多系統具有不同電位的結點。當兩結點相隔一定距離時，情況就更是如此。Burr-Brown公司的ISO 422是設計成用于可有這些應用的集成全雙工隔離收發器。此收發器可配制為半雙工和全雙工（見圖2）。傳輸率可達2.5Mbps。此器件甚至還包含了環路（Loop-back）測試功能，所以每個結點都可執行自測試功能。在此模式期間，總線上的數據被忽略。
2、模擬信號隔離
在很多系統中，模擬信號必須隔離。模擬信號所考慮的電路參量完全不同于數字信號。模擬信號通常先要考慮：
?精度或線性度
?頻率響應
?噪聲考慮
電源要求，特別是對輸入級，也應該關注隔離放大器的基本精度或線性度不能依靠相應的應用電路來改善，但這些電路可降低噪聲和降低輸入級電源要求。
Burr-Brown的ISO124使模擬隔離簡化。輸入信號被占空度調制并以數字方式發送跨過屏障。輸出部分接收被調制的信號，把它變換回模擬電壓并去掉調制/解調過程中固有的紋波成分。由于對輸入信號的調制與解調，所以應遵循采樣數據系統的一些限制。調制器工作在500kHz的基頻上，所以高于250kHz Ngquist頻率的輸入信號在輸出中呈現較低的頻率分量。
盡管輸出級去掉了輸出信號中載波頻率的大多數，但仍然有一定量的載波信號存在。圖4示出了降低系統其余部分中高頻噪聲污染的組合濾波方法。電源濾波器能顯著地降低從電源引腳竄入的噪聲。輸出濾波器是一個Q為I、3dB頻率為50kHz的二極Sallen-key級。這使輸出紋波降低5倍。
對隔離電壓的另一問題是輸入級所需的功率。輸出級通常以機殼或地為基準，而輸入通常浮動在另一個電位上。因此，輸入級的電源也必須隔離。通常用一個單電源，而不是理想中使用的+15V和-15V電源。
圖5示出在ISO124輸入級的一個單電壓電源結合使用1NA2132雙差分放大器，可將擺幅提升到輸入信號電平的全范圍。唯一的要求是輸入端電源電壓保持大于9V，這是ISO124輸入電壓所需要的。
INA2132的下半部產生一個VS+電源的一半的輸出電壓。此電壓用作INA2132另一半的REF引腳和ISO124的GND輸入是偽地。INA2132的差分輸入信號的擺幅可以高于或低于新參考電平。ISO124的輸出與輸入一樣，將是完全雙極性的。
3、 隔離并行數據總線系統
并行數字數據總線的隔離將增加三個更主要的設計參量：
?總線的位寬度
?容許的偏移度
?時鐘速度要求
用一排光耦合器可完成這種任務，但支持電路可能很龐雜。光耦合器之間的傳播時間失配將導致數據偏移，從而引起在接收端的數據誤差。為使這種問題減至最小，ISO508隔離數字耦合器（圖3）支持在輸入和輸出端的雙緩沖數據緩存。這種配置將以2MBps的速率傳輸數據。
ISO508有兩種工作模式。當CONT引腳被置成低態時，在LE1信號的控制下，數據以同步模式被傳送穿越屏障。在LE1高態時，數據從輸入引腳傳送到輸入鎖存。當LE1變低態時，數據字節開始傳輸穿越屏障。在此時間，輸入引腳可用于下一代數據字節。在此模式下，可傳送的數據率可達2MBps。
當CONT引腳被置成高態時，數據在器件內部20MHz時鐘的控制下被跨越屏障發送。數據傳輸對外部鎖存使能信號是異步的。數據以串行形式從輸入鎖存被選通到輸出鎖存。在一個字節傳輸完成后，整個字節移入輸出鎖存，輸出鎖存將對已傳輸的數據字節去偏移。對于完整的8位字節，傳播延遲將小于1ms。
4、隔離用的多功能IC
新的多功能數據采集IC使設計人員有機會在跨越隔離屏時完成多個任務。一個完整的數據采集器件可包含多路模擬開關，可編程增益儀表放大器、A/D轉換器和一個或多個數字I/O通道。所有這些功能都是通過一個串行數據口進行控制的。Burr-Brown公司的ADS7870就是這樣的一種器件。ADS7870與ISO150一起工作得很好，并示于圖6。
在此應用中，ADS7870的每個可編程功能都置于主微處理器的控制之下，而該微處理器本身的控制是通過串行通信口寫命令到寄存器來實現的。控制特性包括：
?多路器的選擇
?4個差分通道或8個單端通道
?可編程儀表放大器的增益設置，1～20
?12位A/D轉換的初始化
此器件的4條數字I/O線也是有用的，可被個別地規定為報告數字信號的狀態或輸出數字信號。這允許隔離某些支持功能，如通過同一ISO150擴展信號多路器的電平或錯誤標志讀出。
結語
有很多器件可供設計人員選用，并使用在系統中地電位有很大差別的設計中。每一種器件都是針對獨特系統要求而設計的。新器件性能集成的高水平使得跨越隔離屏障能實現從前做不到的更復雜的操作。
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