隔离

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<strong>作者：James Stegen，ADI公司汽车部传动系统工程师</strong>

在为汽车xEV应用开发解决方案时，设计师会遇到的一个难题是如何在高压电池域与低压电池域电子元件之间传递数字数据。这一难题出现在多种应用之中，比如电池电压监测、电池电流测量、高压接触器监测、电机控制等。一种典型的电池管理系统(BMS)应用如图1所示，其中高亮显示的几个区域需要数字信号隔离，接下来我们将以其为基础，探讨各种设计考虑因素。

在BMS应用中，设计师需要开发一种解决方案，将来自各种集成电路的高速数字信号跨过隔离栅进行传输。对于本设计示例，这种高速数字信号即是串行外设接口(SPI)连接，用于BMS控制器与电池监测电子元件之间的通信。隔离栅必须保护工作于典型的12 V汽车电压域的BMS控制器电子元件，使其免受以高压(最高达500 V)电池域为基准的电子元件的影响，同时还须具有卓越的耐受力，能承受车辆电力传动系统产生的高压电池瞬变。隔离栅和隔离器件非常重要，因为它们不但保护着车辆的电子元件，同时还保护着车辆乘客，使其免受高压电池产生的电击风险的影响。

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<strong>作者：Baoxing Chen</strong>

近年来，为了节省能源并降低CO2排放，消费者开始热衷于替代燃料汽车，因而混合动力汽车(HEV)日益受到青睐。与依靠汽油的传统内燃机相比，电动马达具有更高的能效，并且可以大幅降低排放。电池是HEV的核心所在，但由于可靠性、安全性、重量和成本方面的原因，电池也是阻碍HEV发展的拦路虎。为了克服这些障碍，必须采用电池监控系统，使电池能长时间安全地工作。由于工作电压很高，因此需要尖端隔离技术。

在许多HEV中，电池组电压可能高达400V，因此电池监控系统(BMS)设计面临多项重大挑战。为了向马达传输足够多的功率，如此高的电压是必需的，但它会影响从电池单元到微控制器的充电状态(SOC)电流和电压信号的传输；微控制器负责处理来自所有电池的信息，确保电池组安全工作。为了解决这一问题，BMS采用电流隔离技术将高压电池数据传输到汽车其它位置的低压电子器件。对于HEV，诸如光耦合器之类的传统隔离解决方案并不理想，因为其性能会随着时间而下降，这种退化效应在环境温度非常高的汽车应用中尤其显著。另外，光耦合器也没有足够的带宽来处理电池监控IC与BMS微控制器之间通常使用的高速串行外设接口(SPI)。

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<sfrong电路功能与优势</strong>
本电路是一个由高功率开关MOSFET组成的H电桥，由低压逻辑信号控制，如图1所示。该电路为低电平逻辑信号和高功率电桥提供了一个方便的接口。H电桥的高端和低端均使用低成本N沟道功率MOSFET。该电路还在控制侧与电源侧之间提供隔离。本电路可以用于电机控制、带嵌入式控制接口的电源转换、照明、音频放大器和不间断电源(UPS)等应用中。

现代微处理器和微控制器一般为低功耗型，采用低电源电压工作。2.5 V CMOS逻辑输出的源电流和吸电流在μA到mA范围。为了驱动一个12 V切换、4 A峰值电流的H电桥，必须精心选择接口和电平转换器件，特别是要求低抖动时。ADG787是一款低压CMOS器件，内置两个独立可选的单刀双掷(SPDT)开关。采用5 V直流电源时，有效的高电平输入逻辑电压可以低至2 V。因此，ADG787能够提供驱动半桥驱动器ADuM7234所需的2.5 V控制信号到5 V逻辑电平的转换。

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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>应用</strog>

* 交流电机控制
* 分路电流监控
* 数据采集系统
* 模数及光隔离器的方案替代

<strong>概述</strong>

AD7401A1是一款二阶Σ-Δ调制器，片上的数字隔离采用ADI公司的iCoupler®技术，能将模拟输入信号转换为高速1位数据流。AD7401A采用5V电源供电，可输入±200 mV的差分信号(满量程±320 mV)。模拟调制器对模拟输入信号连续采样，因而无需外部采样保持电路。输入信息以数据流密度的形式包含在输出数据流内，该数据流的最高数据速率可到20Mhz。通过适当的数字滤波器可重构原始信息。串行I/O可采用5 V或3 V电源供电(VDD2)。

串行接口采用数字式隔离。通过将高速CMOS工艺与ADI公司的iCoupler®技术结合在一起，较之传统的光耦合器等其它器件来说，片内隔离能提供更加优异的工作特性。该器件内置片内基准电压。AD7401A采用16引脚SOIC封装，工作温度范围为−40°C至+125°C。

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本电路是一个由高功率开关MOSFET组成的H电桥，由低压逻辑信号控制。该电路为低电平逻辑信号和高功率电桥提供了一个方便的接口。H电桥的高端和低端均使用低成本N沟道功率MOSFET。该电路还在控制侧与电源侧之间提供隔离。本电路可以用于电机控制、带嵌入式控制接口的电源转换、照明、音频放大器和不间断电源(UPS)等应用中。

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<strong>Aengus Murray 和Robert Zwicker ADI公司</strong>

电机和电源控制逆变器设计人员都会遇到相同的问题，即如何将控制和用户接口电路与危险的功率线路电压隔离。隔离最主要的要求是方式功率线路电压损坏控制电路，更重要的是，保护用户受到危险电压伤害。系统必须符合相应国际标准规定的安全要求，例如涵盖电机驱动和太阳能逆变器的IEC 61800和IEC62109。这些标准主要注重符合性测试。标准的符合性测试会如何赋予工程师自由度？标准会在安全性方面为工程师提供指导，但如何赋予工程师自由度，以便可以选择符合目标系统规格以及标准的相应架构、电路和元件呢？这些是由电路满足在效率、带宽和精度方面提供系统所需性能，同时又满足安全隔离要求来决定的。设计创新系统的难题是，为现有架构、电路和元件制定的设计规则可能不再适用。因此，工程师需要花时间认真评估新电路或元件符合EMC和安全性标准的能力。某些地区工程师的责任更大，一旦所设计系统的安全功能失效并导致伤害，工程师可能需要承担个人责任。本文探讨了系统架构选择对电源和控制电路设计以及系统性能的影响。本文还将说明最新可用隔离元件的性能提升如何帮助替代架构在不影响安全性的前提下提升系统性能。

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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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为了在恶劣环境下保护模拟前端或外部工业背板/通信端口以便提高自动化程度，需要进行鲁棒性增强隔离。然而，今天的转换器和ASIC高速串行接口难以在足够的带宽下实现隔离以便实现精密测量和控制。利用iCoupler® 600 Mbps LVDS直接数字隔离器实现隔离，无需进行任何解串或额外的设计工作和信号调理。

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<strong>作者：Aidan Frost</strong>

<strong>简介</strong>

AD7403/AD7405为高性能二阶Σ-Δ调制器，片上的数字隔离采用ADI公司的iCoupler®技术，能将模拟输入信号转换为高速单个位数据流。AD7403和AD7405分别具有CMOS和LVDS数字接口。此应用笔记将介绍一种方法，它结合使用共存的系统集成温度传感器和AD7403/AD7405，可校准较大程度的失调和增益误差温度漂移。在电机控制应用中，需要特别注意失调和增益误差的温度漂移，因为这对系统稳定性的影响很大。补偿技术部分介绍的补偿方法可以降低AD7403/AD7405数据手册中指定的漂移数据，分别可将失调误差漂移和增益误差漂移降低30%和90%。