PCB電路設(shè)計(jì)的信號(hào)隔離技術(shù)解析

信號(hào)隔離使數(shù)字或模擬信號(hào)在發(fā)送時(shí)不存在穿越發(fā)送和接收端之間屏障的電流連接。這允許發(fā)送和接收端外的地或基準(zhǔn)電平之差值可以高達(dá)幾千伏，并且防止了可能損害信號(hào)的不同地電位之間的環(huán)路電流。信號(hào)地的噪聲可使信號(hào)受損。隔離可將信號(hào)分離到一個(gè)干凈的信號(hào)子系統(tǒng)地。在另一種應(yīng)用中，基準(zhǔn)電平之間的電連接可產(chǎn)生一個(gè)對(duì)于操作人員或病人不安全的電流通路。信號(hào)的性質(zhì)可以為電路設(shè)計(jì)人員指明系統(tǒng)可考慮的那些正確的IC。

第一類隔離器件依賴于無(wú)發(fā)送器和接收器來(lái)跨越隔離屏障。這種器件曾用于數(shù)字信號(hào)，但線性化問(wèn)題迫使模擬信號(hào)隔離采用變壓器，用調(diào)制載波使模擬信號(hào)跨越這個(gè)屏障。變壓器怎么說(shuō)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(lái)耦合調(diào)制信號(hào)以跨越屏障。作用在隔離屏障上的高轉(zhuǎn)換率瞬態(tài)電壓可做為單電容屏障器件的信號(hào)，所以已開(kāi)發(fā)出雙電容差分電路以使誤差最小?，F(xiàn)在電容屏障技術(shù)已應(yīng)用在數(shù)字和模擬隔離器件中。

1、隔離串行數(shù)據(jù)流

隔離數(shù)字信號(hào)有很大選擇范圍。假若數(shù)據(jù)流是位串行的，則選擇方案范圍從簡(jiǎn)單光耦合器到隔離收發(fā)器IC。主要設(shè)計(jì)考慮包括：

?所需的數(shù)據(jù)速率

?系統(tǒng)隔離端的電源要求

?數(shù)據(jù)通道是否必須為雙向

基于LED的光耦合器是用于隔離設(shè)計(jì)問(wèn)題的第一種技術(shù)?，F(xiàn)在有幾件基于LED IC可用，其數(shù)據(jù)速率為10Mbps及以上。一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮是LED光輸出隨時(shí)間減小。所以在早期必須為L(zhǎng)ED提供過(guò)量電流，以使隨時(shí)間推移仍能提供足夠的輸出光強(qiáng)。因?yàn)樵诟綦x端可能提供電很有限，所以需要提供過(guò)量電流是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。因?yàn)長(zhǎng)ED需要的驅(qū)動(dòng)電流可以大于從簡(jiǎn)單邏輯輸出級(jí)可獲得的電流，所以往往需要特殊的驅(qū)動(dòng)電路。

對(duì)于高速應(yīng)用和在邏輯信號(hào)控制下使數(shù)據(jù)流反向轉(zhuǎn)送的情況，可用Burr-Brown公司的ISO 150數(shù)字耦合器。圖1示出ISO150的雙向應(yīng)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(hào)確定信號(hào)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(fā)送模式。方向信號(hào)的狀態(tài)在隔離屏障的兩邊都有。此電路可工作在80MHz的數(shù)據(jù)率下。

位串行通信的第二種變形是正在發(fā)展中的差分總線系統(tǒng)裝置。這些系統(tǒng)由RS-422、RS-485和CANbus標(biāo)準(zhǔn)描述。某些系統(tǒng)很幸運(yùn)地具有公共地，而很多系統(tǒng)具有不同電位的結(jié)點(diǎn)。當(dāng)兩結(jié)點(diǎn)相隔一定距離時(shí)，情況就更是如此。Burr-Brown公司的ISO 422是設(shè)計(jì)成用于可有這些應(yīng)用的集成全雙工隔離收發(fā)器。此收發(fā)器可配制為半雙工和全雙工（見(jiàn)圖2）。傳輸率可達(dá)2.5Mbps。此器件甚至還包含了環(huán)路（Loop-back）測(cè)試功能，所以每個(gè)結(jié)點(diǎn)都可執(zhí)行自測(cè)試功能。在此模式期間，總線上的數(shù)據(jù)被忽略。

2、模擬信號(hào)隔離

在很多系統(tǒng)中，模擬信號(hào)必須隔離。模擬信號(hào)所考慮的電路參量完全不同于數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)通常先要考慮：

?精度或線性度

?頻率響應(yīng)

?噪聲考慮

電源要求，特別是對(duì)輸入級(jí)，也應(yīng)該關(guān)注隔離放大器的基本精度或線性度不能依靠相應(yīng)的應(yīng)用電路來(lái)改善，但這些電路可降低噪聲和降低輸入級(jí)電源要求。

Burr-Brown的ISO124使模擬隔離簡(jiǎn)化。輸入信號(hào)被占空度調(diào)制并以數(shù)字方式發(fā)送跨過(guò)屏障。輸出部分接收被調(diào)制的信號(hào)，把它變換回模擬電壓并去掉調(diào)制/解調(diào)過(guò)程中固有的紋波成分。由于對(duì)輸入信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，所以應(yīng)遵循采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的一些限制。調(diào)制器工作在500kHz的基頻上，所以高于250kHz Ngquist頻率的輸入信號(hào)在輸出中呈現(xiàn)較低的頻率分量。

盡管輸出級(jí)去掉了輸出信號(hào)中載波頻率的大多數(shù)，但仍然有一定量的載波信號(hào)存在。圖4示出了降低系統(tǒng)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(gè)Q為I、3dB頻率為50kHz的二極Sallen-key級(jí)。這使輸出紋波降低5倍。

對(duì)隔離電壓的另一問(wèn)題是輸入級(jí)所需的功率。輸出級(jí)通常以機(jī)殼或地為基準(zhǔn)，而輸入通常浮動(dòng)在另一個(gè)電位上。因此，輸入級(jí)的電源也必須隔離。通常用一個(gè)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(jí)的一個(gè)單電壓電源結(jié)合使用1NA2132雙差分放大器，可將擺幅提升到輸入信號(hào)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(chǎn)生一個(gè)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(hào)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(shù)據(jù)總線系統(tǒng)

并行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)總線的隔離將增加三個(gè)更主要的設(shè)計(jì)參量：

?總線的位寬度

?容許的偏移度

?時(shí)鐘速度要求

用一排光耦合器可完成這種任務(wù)，但支持電路可能很龐雜。光耦合器之間的傳播時(shí)間失配將導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏移，從而引起在接收端的數(shù)據(jù)誤差。為使這種問(wèn)題減至最小，ISO508隔離數(shù)字耦合器（圖3）支持在輸入和輸出端的雙緩沖數(shù)據(jù)緩存。這種配置將以2MBps的速率傳輸數(shù)據(jù)。

ISO508有兩種工作模式。當(dāng)CONT引腳被置成低態(tài)時(shí)，在LE1信號(hào)的控制下，數(shù)據(jù)以同步模式被傳送穿越屏障。在LE1高態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)從輸入引腳傳送到輸入鎖存。當(dāng)LE1變低態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)字節(jié)開(kāi)始傳輸穿越屏障。在此時(shí)間，輸入引腳可用于下一代數(shù)據(jù)字節(jié)。在此模式下，可傳送的數(shù)據(jù)率可達(dá)2MBps。

當(dāng)CONT引腳被置成高態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)在器件內(nèi)部20MHz時(shí)鐘的控制下被跨越屏障發(fā)送。數(shù)據(jù)傳輸對(duì)外部鎖存使能信號(hào)是異步的。數(shù)據(jù)以串行形式從輸入鎖存被選通到輸出鎖存。在一個(gè)字節(jié)傳輸完成后，整個(gè)字節(jié)移入輸出鎖存，輸出鎖存將對(duì)已傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字節(jié)去偏移。對(duì)于完整的8位字節(jié)，傳播延遲將小于1ms。

4、隔離用的多功能IC

新的多功能數(shù)據(jù)采集IC使設(shè)計(jì)人員有機(jī)會(huì)在跨越隔離屏?xí)r完成多個(gè)任務(wù)。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集器件可包含多路模擬開(kāi)關(guān)，可編程增益儀表放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)或多個(gè)數(shù)字I/O通道。所有這些功能都是通過(guò)一個(gè)串行數(shù)據(jù)口進(jìn)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(yīng)用中，ADS7870的每個(gè)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(guò)串行通信口寫(xiě)命令到寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？刂铺匦园ǎ?/p>

?多路器的選擇

?4個(gè)差分通道或8個(gè)單端通道

?可編程儀表放大器的增益設(shè)置，1～20

?12位A/D轉(zhuǎn)換的初始化

此器件的4條數(shù)字I/O線也是有用的，可被個(gè)別地規(guī)定為報(bào)告數(shù)字信號(hào)的狀態(tài)或輸出數(shù)字信號(hào)。這允許隔離某些支持功能，如通過(guò)同一ISO150擴(kuò)展信號(hào)多路器的電平或錯(cuò)誤標(biāo)志讀出。

結(jié)語(yǔ)

有很多器件可供設(shè)計(jì)人員選用，并使用在系統(tǒng)中地電位有很大差別的設(shè)計(jì)中。每一種器件都是針對(duì)獨(dú)特系統(tǒng)要求而設(shè)計(jì)的。新器件性能集成的高水平使得跨越隔離屏障能實(shí)現(xiàn)從前做不到的更復(fù)雜的操作。