PLC DCS模擬量輸入模塊設(shè)計打破了通道間隔離和高密度的障礙

作者：Van Yang、SontaaoMu、Derrick Hartmann

在天然氣和石油廠以及發(fā)電廠等高端工廠自動化應(yīng)用中，低EMI、小尺寸、高可靠性和低成本的要求對于通道間隔離設(shè)計尤其具有挑戰(zhàn)性。因此，標(biāo)準(zhǔn)模塊實現(xiàn)的通道密度通常限制為僅四個或八個通道，通道間隔離只有數(shù)百伏。

本文將簡要討論過程控制模擬輸入模塊中的隔離以及實現(xiàn)此目的的傳統(tǒng)方法。然后概述了一種替代的高密度、易于設(shè)計的通道間隔離模擬輸入模塊架構(gòu)。測試結(jié)果顯示，16通道、2.5 kV rms通道間隔離演示模塊輕松通過了EN55022 B類隔離標(biāo)準(zhǔn)。

過程控制模擬輸入模塊中的隔離

電流隔離是物理和電氣分離兩個電路的原理，因此沒有直接的傳導(dǎo)路徑，但數(shù)據(jù)和電源仍然可以交換。這通常使用變壓器、光耦合器或電容器來實現(xiàn)。隔離用于保護電路和人體，斷開接地環(huán)路，并提高共模電壓和噪聲抑制性能。

通常，過程控制輸入要么是組隔離的，要么是通道間隔離的（見圖1）。對于組隔離，多個輸入通道組合在一起以共享單個隔離柵，包括電源隔離和信號隔離。這比通道間隔離節(jié)省了成本，但它限制了組中通道之間的共模電壓差，這意味著它們應(yīng)全部放置在同一區(qū)域中。如圖1右側(cè)所示，通道間隔離始終有利于其提高魯棒性。也就是說，每個通道的成本要高得多，因此工廠制造商必須仔細評估這種權(quán)衡。

圖1.組隔離和通道間隔離。

采用通道間隔離設(shè)計，每個通道都需要專用的電源隔離和信號隔離。隔離是輸入模塊通道密度、EMI、成本和可靠性的主要限制之一。在現(xiàn)代設(shè)計中，每個通道使用數(shù)字隔離器進行數(shù)據(jù)隔離。ADuM141E等典型數(shù)字隔離器在16引腳SOIC（6.2 mm × 10 mm）封裝中具有四個隔離數(shù)據(jù)通道。但是，每個通道仍然需要電源隔離，因此讓我們討論三種傳統(tǒng)的電源隔離方法：多抽頭變壓器、推挽式設(shè)計和隔離式DC-DC模塊。

圖2顯示了采用多抽頭變壓器的反激式隔離DC-DC架構(gòu)。反激式轉(zhuǎn)換器驅(qū)動變壓器在抽頭上產(chǎn)生多個輸出。它是一種成熟的電源架構(gòu)，但對于過程控制應(yīng)用有六個主要缺點，它們是：

它需要一個帶有多抽頭和屏蔽的定制變壓器來控制EMI。這在具有足夠可靠性的小尺寸中很難實現(xiàn)。

只有一個通道可用于反饋控制環(huán)路，這意味著其他通道的調(diào)節(jié)更為松散。這需要仔細評估以確?？煽窟\行。

通道密度受特定變壓器放置的限制。對于來自每個抽頭輸出的功率，變壓器作為模擬輸入模塊的中心放置，每個輸入通道布置在變壓器周圍的扇出扇區(qū)中，將模擬輸入模塊卡通道限制為四個或八個。

來自一個通道的干擾可以通過變壓器抽頭之間的耦合電容耦合到其他通道。

隔離電壓電平。除非采用特殊的絕緣材料或設(shè)計，否則Multitap變壓器只能實現(xiàn)數(shù)百伏的通道間隔離，這大大增加了變壓器成本。

定制變壓器獲得UL/CSA認(rèn)證的高成本。

圖2.多抽頭變壓器電源隔離設(shè)計。

另一種方法是每個通道使用單獨的變壓器，并使用推挽方法來隔離每個通道。在這種方法中，不使用反饋。取而代之的是，使用穩(wěn)壓良好的電源（例如7 V）來驅(qū)動每個變壓器，然后使用LDO在次級側(cè)進一步調(diào)節(jié)。這種方法是可行的，因為次級側(cè)的電流消耗相對較低，這使得適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)成為可能。

這種方法的一些缺點是需要預(yù)調(diào)節(jié)以及每個通道的額外組件。所選變壓器必須滿足所需的隔離額定值。預(yù)穩(wěn)壓以及每個通道的變壓器、開關(guān)和 LDO 占用電路板空間并增加成本。還需要進行大量的評估工作，以確保該法規(guī)在所有條件下都足夠。

圖3.推挽式隔離設(shè)計。

使用經(jīng) UL/CSA 認(rèn)證的表面貼裝隔離式 DC-DC 模塊使隔離電源設(shè)計變得更加容易，并且可以提高通道密度，同時將隔離電壓提高到數(shù)千伏。也就是說，成本相對較高，通常只能通過EN55022 A類。這些模塊也可能存在傳導(dǎo)電磁干擾問題，因為大多數(shù)模塊的PWM頻率低于1 MHz，以最大程度地減少電磁輻射干擾。此外，大多數(shù)過程控制模擬輸入模塊消耗的電流不到10 mA，遠低于市場上大多數(shù)隔離式電源模塊。

所討論的所有三種傳統(tǒng)方法都難以滿足所需的隔離性能和成本。這些方法仍然需要每個通道單獨的數(shù)據(jù)隔離器，從而增加了額外的空間和成本。如果電源隔離可以作為數(shù)據(jù)隔離器的一部分，會怎么樣？它可以，而且確實如此。

ADI i耦合器技術(shù)和iso電源技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)和汽車市場，這兩種技術(shù)可以集成到單個封裝中。以ADuM5411為例，根據(jù)圖4所示的框圖，該器件采用7.8 mm×8.2 mm、24引腳TSSOP封裝，包括完全電源隔離和4通道數(shù)據(jù)隔離。它提供高達 150 mW 的輸出，足以進行模擬輸入信號調(diào)理和數(shù)字化，并通過 2500 V rms UL1577 隔離標(biāo)準(zhǔn)。此外，CMTI（共模瞬態(tài)抗擾度）大于 75 kV/μs，非常適合存在高瞬態(tài)電壓和電流的惡劣工業(yè)環(huán)境，例如發(fā)電廠。??

圖4.ADuM5411原理框圖

由于數(shù)據(jù)和電源隔離的高度集成，模擬輸入模塊設(shè)計大大簡化，并且可以實現(xiàn)更高的通道密度。它允許使用較舊的隔離方法在與8個通道相同的空間內(nèi)提供16個或更多通道。

采用這種隔離方法設(shè)計并測試了一個16通道、通道間隔離溫度輸入模塊（見圖5）。模塊中的ADuM5411器件為16個溫度輸入通道中的每個通道提供隔離電源和數(shù)據(jù)。熱電偶和/或RTD測量由高度集成的溫度前端IC（AD7124或AD7792）執(zhí)行，與分立式設(shè)計相比，可節(jié)省更多空間。ADP2441將24 V背板電源轉(zhuǎn)換為3.3 V，為MCU、觸摸屏和ADuM5411供電。每個輸入通道只需要 63.5 mm × 17.9 mm 的面積。

圖5.16通道溫度通道間隔離輸入模塊框圖

ADuM5411的版圖設(shè)計

ADuM5411的開關(guān)頻率為125 MHz。 由于通道數(shù)量眾多，因此特別注意確保電路板通過EN55022的B類電磁輻射干擾測試。

為了最小化輻射發(fā)射，所使用的原理是最小化功耗并最小化電流環(huán)路返回路徑。通過使用低功耗集成溫度前端IC，將功耗降至最低。這意味著通過隔離柵消耗的功率更少，這意味著輻射的能量也會更少。AD7124完全有效時僅消耗0.9 mA電流。為了最小化電流返回環(huán)路，使用了兩個鐵氧體磁珠以及少量的旁路電容。

鐵氧體磁珠是一種有用的方法，可以通過提供比PCB走線高得多的阻抗來控制輻射信號源。參見圖6，鐵氧體磁珠與ADuM5411的引腳串聯(lián)放置。鐵氧體磁珠的頻率響應(yīng)是一個非常重要的考慮因素。使用的鐵氧體磁珠為 BLM15HD182SN1，在 100 MHz 和 1 GHz 頻率范圍內(nèi)提供大于 2 kΩ 的電阻。鐵氧體磁珠應(yīng)盡可能靠近ADuM5411的焊盤放置。VISO路徑上的E9和GNDISO路徑上的E10是最關(guān)鍵的鐵氧體磁珠。

圖6.ADuM5411原理圖

電容也可用于提供低阻抗返回路徑，從而減少輻射。一種方法是使用表面貼裝的安全額定電容器穿過勢壘，保證滿足爬電距離、電氣間隙和耐壓標(biāo)準(zhǔn)。這些電容器可從村田制作所或Vishay等供應(yīng)商處獲得。但是，由于安裝電容器會引入電感，這種方法僅在高達200 MHz左右時才有效。因此，更有效的技術(shù)是在ADuM5411下構(gòu)建PCB內(nèi)部的旁路電容。這可以是浮動旁路電容或重疊旁路電容，如圖7所示。

圖7.浮動旁路電容器和重疊旁路電容器。

對于浮動旁路電容，內(nèi)置兩個串聯(lián)電容C1和C2。總電容由公式1計算。

其中：
ε是PCB絕緣材料的介電常數(shù)，F(xiàn)R4材料的介電常數(shù)為4.5

對于重疊旁路電容，電容由公式2計算。

其中：
ε是PCB絕緣材料的介電常數(shù)，4×10–11 F/m 用于 FR4 材料

在相同的材料、面積和距離下，浮動拼接的總電容值是重疊拼接的一半，但絕緣材料的厚度增加了一倍。根據(jù) IEC60950 2.10.6.4，增強絕緣要求內(nèi)層的最小絕緣材料厚度為 0.4 毫米（15.74 密耳），但基本絕緣沒有這樣的要求。由于ADuM5411僅提供2.5 kV rms基本隔離，因此選擇重疊旁路電容以最大化電容。出于同樣的原因，內(nèi)層的厚度也被控制在5密耳。

16通道、通道間溫度輸入模塊PCB使用6層板。為了保持機械和EMI性能，頂層和底層控制在20密耳，內(nèi)層控制在5密耳，如圖8所示。

圖8.六層PCB堆疊分配。

如圖9所示，重疊旁路電容的平面內(nèi)置于GND1、SIG、PWR和GND2中。GND1和PWR上的平面連接到ADuM5411的副邊，SIG和GND2上的平面連接到ADuM5411的初級側(cè)。這意味著在 GND1 和 SIG、SIG 和 PWR、PWR 和 GND2 之間形成三個并聯(lián)的旁路電容器。重疊區(qū)域的寬度為4.5 mm，長度為17 mm，這意味著總旁路電容為72 pF。

圖9.ADuM5411區(qū)域的六層PCB布局。

符合 EN55022 規(guī)范的測試結(jié)果

根據(jù)EN55022規(guī)范，在10 m處進行了兩組EMI測試。在第一次測試中，使用了具有旁路電容的電路板，如圖10所示。圖11顯示了結(jié)果，它通過了EN55022 B類標(biāo)準(zhǔn)，裕量約為11.59 dB。在第二次測試中，使用了沒有旁路電容的電路板，而是在電路板上安裝了外部安全電容器 KEMET C1812C102KHRACTU 3 kV，150 pF。圖12顯示了結(jié)果——它通過了EN55022 B類標(biāo)準(zhǔn)，裕量為0.82 dB。

圖 10.內(nèi)置在PCB中的旁路電容器，無需安全電容器。

圖 11.PCB EN55022 B類測試結(jié)果中內(nèi)置的拼接電容器。

圖 12.該無旁路電容，但用安全電容PCB，EN55022 B類測試結(jié)果。

結(jié)果表明，IC下的縫合電容器是比安全電容器更有效的去耦方法。

結(jié)論

通道間隔離通常被視為高端過程控制系統(tǒng)的設(shè)計挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)的數(shù)字和電源隔離方法相比，ADI的iso電源技術(shù)和i耦合器技術(shù)可顯著提高通道密度。它們還大大簡化了設(shè)計任務(wù)，并可以提高通道的魯棒性和可靠性。通過內(nèi)置在PCB中的旁路電容或安裝在PCB旁邊的安全電容，可以輕松控制EMI輻射，以通過EN55022 B類或A類。這是技術(shù)的突破。

審核編輯：郭婷