嵌入式系统的电气隔离 (5)

所有的iCoupler磁耦产品都有标准的CMOS数字输入输出接口,因此,没有外部组成部分需要通过其它数字设备连接到磁耦。此外,iCoupler磁耦产品的性能在温度,电压和整个寿命中是极稳定的。磁耦因此能够被快速地被应用到任何设计中而不需要复杂联合的光耦。

ADuM系列芯片型号丰富,提供了非常丰富的型号,单向隔离器主要有单通道数字隔离ADuM1100/3100,双通道数字隔离ADuM120X/121X/220X/320X/321X,三通道数字隔离ADuM130X/131X/330X,四通道数字隔离ADuM140X/141X/240X /340X/344X以及五通道数字隔离ADuM1500等同时还有双向双通道数字隔离器ADuM125X等型号。

ADuM系列还具有和收发器相结合的隔离型收发器系列,如隔离型RS-232收发器ADuM3251E等,隔离型RS-485/422收发器ADuM2490E等,以及一系列磁耦隔离电源,集成AD转换器的隔离器件等产品。

3. 电容隔离

电容耦合使用不断变化的电场来通过隔离层实现信息传输。电容器极板之间的材料是电介质绝缘体,即隔离层。电极板的大小、板间距离以及电介质材料决定了电气特性。采用电容隔离层的优势是效率高,无论在体积、能量转换还是在抗磁场干扰方面均如此。这种高效特性使得实现低功耗及低成本的集成式隔离电路成为可能。抗干扰性则使得器件可以在饱和或密集磁场环境下工作。

与变压器不同的是,电容耦合的缺点在于无差分信号,并且噪声与信号共用同一条传输通道。这就要求信号频率应远高于可能出现的噪声频率,以便使隔离层电容对信号呈现低阻抗而对噪声呈现高阻抗。如同电感耦合一样,电容耦合也存在带宽限制,同样需要时钟编码数据。下面以较为较为常用的TI公司的ISO721电容隔离芯片来简要说明一下电容隔离的基本原理。ISO721的内部结构示意图如所示。

由于电容耦合存在带宽限制,因此该隔离器输入分为两个差分信号路径:一条为高数据速率通道(称作 AC-通道),另一条为低数据速率通道(称作 DC-通道)。AC-通道传输介于 100 kbps 和 100 Mbps 之间的信号,而DC-通道则涵盖了从 100 kbps 到 DC 的范围。高速信号由 AC 通道来处理,信号在通道中首先从单端模式转换为差分模式,然后被隔离层的电容-电阻网络差分为许多瞬态。后面的比较器再将这些瞬态转换为差分脉冲,从而设置和重置一个“或非”门触发器。相当于原始输入信号的触发器输出馈至判定逻辑(DCL) 和输出多路复用器。DCL 包括一个看门狗定时器,该定时器用于测量信号转换之间的持续时间。如果两个连续转换之间的持续时间超出定时窗口(如低频信号的情况下),则 DCL 则指示输出多路复用器从 AC-通道切换到 DC-通道。

由于低频信号要求大容量电容器,而这种电容器使片上集成变得很困难,因此DC-通道的输入要有脉宽调制器(PWM)。该调制器利用一个内部振荡器 (OSC) 的高频载波对低频输入信号进行调制。在 AC-通道中对调制后信号的处理过程与高频信号相同。然而,在向输出多路复用器提交该信号以前,需通过一个最终低通滤波器 (LPF) 滤除高频 PWM 载波,以恢复原始、低频输入信号。

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图 7‑9 ISO721 内部结构

相比其他隔离器技术,电容隔离器的一个主要优点是其 DC-通道在上电和信号丢失 (LOS) 事件期间隔离器输出端拥有正确的输入极性。缺少这些特性的其他隔离器技术通常会在上电期间出现输出突波,或者在信号丢失以前一直保持在最后一个输入极性。

电容隔离的另外一个优点是每个电容 123 毫微微法拉 (123 x 10 -15 F) 的超低容量,从而允许极高的数据速率传输并实现多通道隔离器的微电容几何尺寸。

隔离器电流消耗高度依赖于内部结构。相比双通道隔离器,电感型隔离器似乎具有最低的 DC 电源电流。这是因为该器件只包含 2 条信号通道。而电容隔离器包含4条通道:2 条 AC 通道和 2 条 DC 通道。因此,其 DC 的电流消耗更高,而且其可靠性也更高,因为在输入信号丢失的情况下其可确保正确的输出极性。

以上介绍了三种常用的电气隔离技术,三种技术的典型器件对比如所示。

器件

 

类型

 

VCC (V)

 

信号速率

(Mbps)

 

UL1577

(vrms)

 

瞬态抗干扰度

(KV/μS)

 

功耗

(Mw)

 

封装

 

HCPL-0721

 

光电隔离

 

5

 

25

 

25000

 

10

 

95

 

SO-8/DIP-8

 

ADUM1400

 

电磁隔离

 

5

 

100

 

2500

 

25

 

4.0/c

 

SO-8

 

3.3

 

50

 

1.3/c

 

ISO721

 

电容隔离

 

3.3/5

 

150

 

2500

 

25

 

60

 

SO-8

 
1.1.4 模拟信号的隔离

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