数字隔离器

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<strong>简介</strong>

设计隔离测量仪器颇具挑战性，有时甚至会令人沮丧不已。隔离前端可以保护用户免受测量系统中可能存在的致命电压的伤害，同时允许工程师在高共模电压下进行精确的测量。图1所示为此类测量的一个典型示例。在高压燃料电池或电池组中，了解单个电池的电压有助于确保系统的安全运行，同时可以最大限度地延长电池寿命。在确定单个电池的电压时，我们必须在高达数百伏特的共模电压下进行测量。在用热电偶测量载流导体的温度时，会出现类似的情况。在本例中，系统必须具备测量毫伏级信号分辨率的能力，同时抑制高电平的60 Hz共模噪声，并保护操作员不受任何危险电压的伤害。

最初人们用隔离放大器来解决这个问题，但随着测量带宽和分辨率的增长，这种解决方案已经过时。现在，执行此类测量的最精确、最经济、最高效技术是隔离整个测量前端(包括模数转换器(ADC))，并对系统其余部分实施隔离串行链路，如图1所示。该链路可以是一个局部总线(如SPI)，也可以是工业协议(如RS-485)，用以将测量数据长距离传输至控制器单元。

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<strong>作者：Bob Briano，ADI公司营销和应用经理；Aengus Murray，ADI公司电机和功率控制应用经理</strong>

<strong>简介</strong>

工业电机驱动中使用的电子控制必须能在恶劣的电气环境中提供较高的系统性能。电源电路会在电机绕组上导致电压沿激增现象，而这些电压沿则可以电容耦合进低电压电路之中。电源电路中，电源开关和寄生元件的非理想行为也会产生感性耦合噪声。控制电路与电机和传感器之间的长电缆形成多种路径，可将噪声耦合到控制反馈信号中。高性能驱动器需要必须与高噪声电源电路隔离开的高保真反馈控制和信号。在典型的驱动系统中，包括隔离栅极驱动信号，以便将逆变器、电流和位置反馈信号驱动到电机控制器，以及隔离各子系统之间的通信信号。实现信号隔离时，不得牺牲信号路径的带宽，也不得显著增加系统成本。光耦合器是跨越隔离栅实现安全隔离的传统方法。尽管光耦合器已使用数十年，其不足也会影响系统级性能。

变速电机驱动器在工业应用中的广泛使用要归功于高效电源开关和具有成本优势的电子控制电路。设计上的困难则是用低压控制电路耦合高功率开关电路，而不牺牲抗噪性能或开关速度。

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<strong>作者：David Krakauer，ADI公司iCoupler隔离产品线经理</strong>

一方面，设计工程师不想在系统中增加电流隔离；另一方面，为了满足国内或国际安全法规要求，他们不得不这样做。增加电流隔离的弊端是隔离直接放在数据路径中，会导致延迟并使系统变慢。此外还会增加功耗、尺寸和成本。这些折中令人遗憾。多年来，设计工程师使用光耦合器，勉强应对这些缺点，但一种新型电流隔离器——数字隔离器已经上市，缓解了这些不利影响。利用数字隔离器可以实现尺寸更小、能效更高、更具性价比、性能更高的设计。然而，安全标准并未同步跟进，给数字隔离器带来了困惑和不确定性：它们是否像电流隔离一样安全？它们是否满足安全法规要求？

答案是肯定的：数字隔离器能够满足国内和国际标准的安全要求。但是，大多数供应商提供的光耦合器具有相似的结构，数字隔离器则不然，不同供应商以不同方式设计和制造数字隔离器，因而隔离能力不尽相同，特别是与光耦合器强健的隔离能力相比较时。因此，并非所有数字隔离器技术和实现方案都能提供同样的安全性。

隔离器有四个主要考虑因素：

• 绝缘材料
• 隔离元件
• 数据传输架构
• 封装

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<strong>作者：David Krakauer，ADI公司产品线经理</strong>

<strong>简介</strong>

数字隔离器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有光耦合器所无法比拟的巨大优势。

多年来，工业、医疗和其他隔离系统的设计人员实现安全隔离的手段有限， 唯一合理的选择是光耦合器。如今，数字隔离器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方面均有优势。了解数字隔离器三个关键要素的特点及其相互关系，对于正确选择数字隔离器十分重要。这三个要素是：绝缘材料、结构和数据传输方法。

设计人员之所以引入隔离，是为了满足安全法规或者降低接地环路的噪声等。电流隔离确保数据传输不是通过电气连接或泄漏路径，从而避免安全风险。然而，隔离会带来延迟、功耗、成本和尺寸等方面的限制。数字隔离器的目标是在尽可能减小不利影响的同时满足安全要求。

传统隔离器——光耦合器则会带来非常大的不利影响，功耗极高，而且数据速率低于1 Mbps。虽然存在更高效率和更高速度的光耦合器，但其成本也更高。

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<strong>作者：David Krakauer，ADI公司iCoupler®数字隔离器部门产品线经理</strong>

多年来，工业、医疗和其他隔离系统的设计人员实现安全隔离的手段有限， 唯一合理的选择是光耦合器。如今，数字隔离器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方面均有优势。了解数字隔离器三个关键要素的特点及其相互关系，对于正确选择数字隔离器十分重要。这三个要素是：绝缘材料、结构和数据传输方法。

设计人员之所以引入隔离，是为了满足安全法规或者降低接地环路的噪声等。电流隔离确保数据传输不是通过电气连接或泄漏路径，从而避免安全风险。然而，隔离会带来延迟、功耗、成本和尺寸等方面的限制。数字隔离器的目标是在尽可能减小不利影响的同时满足安全要求。传统隔离器——光耦合器则会带来非常大的不利影响。它们的功耗极高，而且数据速率低于1 Mbps。虽然存在更高效率和更高速度的光耦合器，但其成本也更高。

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<strong>作者：Brian Kennedy、Mark Cantrell</strong>

<strong>简介</strong>

如果PCB设计选择得当，iCoupler®数据隔离产品很容易满足CISPR 22 Class A(和FCC Class A)辐射标准，甚至能够满足更严格的无屏蔽环境CISPR 22 Class B(和FCC Class B)标准。本应用笔记将考察与PCB相关的抗电磁辐射技术，包括电路板布局和堆叠问题。

关于辐射的标准有多种。在美国，联邦通信委员会(FCC)负责管理辐射标准及测试方法。在欧洲，国际电工委员会(IEC)制定标准，采用CISPR测试方法来评估辐射。这两种标准规定的测试方法及合格/不合格界定稍有不同。虽然本应用笔记参照IEC标准，但所有结果对这两种标准均适用。

iCoupler数字隔离器输入端的数据跃迁编码为较窄的脉冲，用以将信息发送到隔离栅的另一端。这种1 ns脉冲具有高达70 mA的峰值电流，如果在印刷电路板(PCB)布局布线和构建期间不加以重视，可能会引起辐射和传导噪声。

<font color="#FD8900"></strong>作者：Dara O'Sullivan(系统工程师)和Maurice Moroney (技术营销经理)，ADI公司<strong></font>

<strong>隔离类型简介</strong>

隔离用户及敏感电子部件是电机控制系统的重要考虑事项。安全隔离用于保护用户免受有害电压影响，功能隔离则专门用来保护设备和器件。电机控制系统可能包含各种各样的隔离器件，例如：驱动电路中的隔离式栅极驱动器；检测电路中的隔离式ADC、放大器和传感器；以及通信电路中的隔离式SPI、RS-485、标准数字隔离器。无论是出于安全原因，还是为了优化性能，都要求精心选择这些器件。

虽然隔离是很重要的系统考虑，但它也存在缺点：会提高功耗，跨过隔离栅传输数据会产生延迟，而且会增加系统成本。系统设计师传统上求助于光隔离方案，多年来，它是系统隔离的当然选择。最近十年来，基于磁性(变压器传输)方法的数字隔离器提供了一种可行且在很多时候更优越的替代方案；从系统角度考虑，它还具备系统设计师可能尚未认识到的优点。