數(shù)字信號(hào)隔離，實(shí)現(xiàn)更好的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)工程師需要高枕無(wú)憂。您需要確信您的設(shè)計(jì)堅(jiān)如磐石。這將增強(qiáng)創(chuàng)造力（并且可以讓你成為一個(gè)更好的人）。

在設(shè)計(jì)中的所有信號(hào)線上使用數(shù)字隔離可能有助于找到這種安心。如果所有I/O都是數(shù)字的，這些隔離器將消除傳導(dǎo)噪聲，并防止總是可怕的接地環(huán)路對(duì)您的測(cè)量造成嚴(yán)重破壞。您可以找到單通道至六通道數(shù)字隔離器IC，設(shè)計(jì)起來(lái)非常方便。應(yīng)用領(lǐng)域包括工廠自動(dòng)化、電動(dòng)汽車、電網(wǎng)、機(jī)器人和科學(xué)儀器。

您甚至可以在數(shù)字隔離柵之前對(duì)模擬I/O進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，因此它們也非常干凈。兩個(gè)電源域之間的完全電流隔離還將保護(hù)電路免受高共模瞬變的影響，高共模瞬變可能發(fā)生在太陽(yáng)風(fēng)暴或雷擊期間。如果存在任何高電壓，隔離器可以提高安全性。

數(shù)字隔離器還免費(fèi)提供信號(hào)電平轉(zhuǎn)換。使用它們只是良好的工程實(shí)踐，實(shí)際上可以使電路的其余部分更容易設(shè)計(jì)。當(dāng)然，您需要有兩個(gè)獨(dú)立的電源，但這通常很容易通過(guò)電源變壓器抽頭完成?，F(xiàn)在，微型、高效率開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在這項(xiàng)任務(wù)中發(fā)揮了很大作用。

現(xiàn)有的隔離器IC可提供高達(dá)5kV的隔離電壓，支持高達(dá)150Mbps的數(shù)據(jù)速率，并且只需要幾毫安的電源電流。您可以為 RS-232/485、CAN、LVDS、US 或 SPI 信號(hào)線選擇通用單向或雙向隔離器或收發(fā)器型隔離器。

當(dāng)然，所有這些電路設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)都不是免費(fèi)提供的。我們可以計(jì)算出四通道隔離器IC的價(jià)格約為2.50美元，一些相關(guān)的離散部件以及一些額外的電源電路的價(jià)格更高。但這并不能提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)健性，以及您的心態(tài)。

這些IC需要評(píng)估的一些重要規(guī)格包括工作電壓、共模瞬態(tài)抗擾度、最大數(shù)據(jù)速率、傳播延遲和電源電壓/電流。

數(shù)字隔離器IC示例

MAX14934–MAX14936為四通道、5kV系列有效值數(shù)字隔離器采用專有工藝技術(shù)作為隔離柵。適用于僅需 2.75kV 的應(yīng)用有效值隔離，可以使用MAX14930–MAX14932，對(duì)于需要雙向通道的應(yīng)用，如I2C，請(qǐng)參考MAX14937。

MAX1493x系列通過(guò)電流分離器在不同電源域的電路之間傳輸數(shù)字信號(hào)。這些設(shè)備已通過(guò) VDE V 0884-10：2006-12 基本絕緣認(rèn)證，最大工作電壓為 848V有效值.它們符合 UL1577 安全要求。

這些 IC 可在高達(dá) 125°C 的環(huán)境溫度下工作，采用 0.58V 電源時(shí)，每通道功耗低至 1.1mW，速率為 8Mbps。它們的隔離額定值為 5kV有效值持續(xù) 60 秒，共模瞬態(tài)抗擾度非常穩(wěn)健，為 25kV/μs。隔離器每側(cè)均可使用1.71V至5.5V電源。

這些芯片提供所有三種可能的單向通道配置。如功能圖所示，四個(gè)通道中的每一個(gè)都只沿一個(gè)方向傳遞數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖1），并且每個(gè)通道獨(dú)立工作。數(shù)據(jù)速率可以從 1Mbps、25Mbps 或 150Mbps 中選擇，具體取決于版本。每個(gè)通道的輸出驅(qū)動(dòng)器均為推挽式，可驅(qū)動(dòng)TTL和CMOS邏輯。版本具有高電平或低電平的默認(rèn)輸出。輸入電容僅為2pf（典型值），上升和下降時(shí)間通常為2ns。傳播延遲從最快版本的8ns到最慢版本（55MHz）的1ns不等。

圖 1：MAX14934、MAX14935 和 MAX14936 功能框圖

采用 3.3V 電源時(shí)，芯片每通道僅占用 2.6mA 電流（典型值（在 1Mbps 時(shí)）或 7.1mA/通道（典型值（100Mbps）。16 引腳寬體 SO 封裝滿足 220VAC 供電設(shè)備的爬電距離和電氣間隙要求。MAX14483評(píng)估板為完整的評(píng)估板。

用于SPI的六通道隔離器

另一款器件MAX14483提供100個(gè)通道，其中200個(gè)正向單向數(shù)據(jù)通道和10個(gè)反向通道，用于串行外設(shè)接口（SPI）總線控制信號(hào)SDO和故障。所有六個(gè)單向通道都可以具有高達(dá)2MHz的時(shí)鐘，2Mbps的數(shù)據(jù)速率。六個(gè)信號(hào)通道分別針對(duì)SPI進(jìn)行了優(yōu)化，在SDI、SDO和SCLK指定通道上具有非常低的60747ns傳播延遲（圖5），以及5ns的最大脈寬失真。該 IC 符合 IEC <>-<>-<> 標(biāo)準(zhǔn)。

圖3：MAX14483功能框圖

輔助通道用于將定時(shí)或控制信號(hào)從主機(jī)側(cè)傳遞到從機(jī)側(cè)，并且兩個(gè)電源域也有功率監(jiān)視器。該 IC 的隔離額定值為 3.75kV有效值60 秒，采用 20 引腳 SSOP 封裝，爬電距離和電氣間隙為 5.5mm。封裝材料的最小相對(duì)漏電起痕指數(shù)（CTI）為400V，在爬電距離表中具有第2組額定值。其額定環(huán)境溫度為 -40° 至 125°C，最大工作隔離電壓為 400V有效值.

該 IC 可承受 A 側(cè)和 B 側(cè)之間的 ±10kV 浪涌，波形為 1.2/50μs，并具有 ±4kV ESD HBM 承受能力。隔離器每側(cè)均有1.71V至5.5V電源。該 IC 采用 1MHz 時(shí)鐘和 53.10V 電源時(shí)每通道僅需要 3.3mW，采用 0.77V 電源時(shí)每通道僅需要 1.8mW。

規(guī)格檢查

由于各種規(guī)格，數(shù)字隔離器規(guī)格可能會(huì)令人困惑。它們有時(shí)會(huì)說(shuō)明與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)（IEC 60950-1等）相關(guān)的隔離測(cè)試電壓，而規(guī)范應(yīng)強(qiáng)調(diào)組件標(biāo)準(zhǔn)（VDE 0884-10，UL 1577）和工作電壓。設(shè)計(jì)人員應(yīng)驗(yàn)證隔離器是否具有VDE和UL認(rèn)證。確保隔離器符合安全規(guī)則的最佳方法是獲取VDE和UL證書(shū)的副本。

避免設(shè)計(jì)難題

數(shù)字隔離器IC易于使用，可以避免設(shè)計(jì)引起很多麻煩，特別是在工業(yè)等電氣噪聲環(huán)境中或電氣設(shè)備（如工廠、電動(dòng)汽車、電網(wǎng)和科學(xué)儀器）中。

審核編輯：郭婷