電容式數(shù)字隔離器應(yīng)用設(shè)計(jì)

1、目前，有關(guān)電子設(shè)備使用和設(shè)計(jì)的安全規(guī)定層出不窮，使電流隔離器幾乎成為所有數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)中的必需。避免控制系統(tǒng)低壓電路在電場(chǎng)中遭受潛在的傳感器和傳動(dòng)器組件高壓損害的一種方法，就是使用數(shù)字隔離器。本文的目的在于告訴大家如何簡(jiǎn)化隔離系統(tǒng)設(shè)計(jì)，文章除描述電容式數(shù)字隔離器的基本功能，詳細(xì)介紹如何在信號(hào)通路中安裝隔離器外，還就如成功設(shè)計(jì)電路板提供了一些有價(jià)值的參考意見(jiàn)。電容式數(shù)字隔離器的基本功能圖 1 顯示了一個(gè)電容式數(shù)字隔離器的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖，該隔離器由一個(gè)高速信號(hào)路徑和一個(gè)低速信號(hào)路徑組成。高速路徑(藍(lán)色部分)傳輸100kbps 至 150Mbps 的信號(hào)，而低速路徑(橙色部分)則傳輸 100kbps

2、 以下信號(hào)至 dc。藍(lán)色部分所示路徑中處理的高速信號(hào)被電容式隔離勢(shì)壘分為多個(gè)快速瞬變脈沖群。隨后的觸發(fā)器(FF)將這些瞬態(tài)脈沖群轉(zhuǎn)換成波形和相位均與輸入信號(hào)一致的脈沖。內(nèi)部看門(mén)狗(WD)檢烤河鯽魚(yú)”。我說(shuō)好。結(jié)果他玩好電腦到上班時(shí)又是急匆匆地上查高速信號(hào)邊緣的周期性。在低頻輸入信號(hào)情況下，連續(xù)信號(hào)邊緣間的持續(xù)時(shí)間超出了看門(mén)狗窗口。這樣便迫使看門(mén)狗將輸出開(kāi)關(guān)位置從高速路徑(位置 1)改變?yōu)榈退俾窂?位置 2)。低速路徑比高速路徑多出幾個(gè)功能元件。因?yàn)榈皖l輸入信號(hào)要求隔離勢(shì)壘禁止采用大電容，所以輸入信號(hào)被用于對(duì)內(nèi)部振蕩器(OSC)的載波頻率進(jìn)行脈寬調(diào)制(PWM)。這就構(gòu)成了一個(gè)非常高的頻率，能夠通

3、過(guò)該電容勢(shì)壘。由于輸入得到了調(diào)制，因此必須在實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸至輸出端以前使用低通濾波器(LPF)去除其中的高頻載波。在信號(hào)鏈中的安裝位置數(shù)字隔離器分為單通道、雙通道、三通道及四通道器件，可以實(shí)現(xiàn)單向和雙向運(yùn)行，它們的共有特性如下：不符合任何特定接口標(biāo)準(zhǔn)；使用 3V/5V 邏輯開(kāi)關(guān)技術(shù)專(zhuān)為電隔離數(shù)字、單端(SE)數(shù)據(jù)線而設(shè)計(jì)烤河鯽魚(yú)”。我說(shuō)好。結(jié)果他玩好電腦到上班時(shí)又是急匆匆地上雖然最后一點(diǎn)似乎是設(shè)計(jì)上的限制，然而圖2 卻顯示了如何對(duì)多種接口進(jìn)行隔離，其中包括低 壓 SPI、 高壓 RS232、 差分 USB 和 差 分CAN/RS485。所有接口都有一個(gè)相同點(diǎn)，那就是數(shù)字隔離器必須安裝在隔離接口的

4、單端 3V/5V 部分。由于數(shù)字隔離器都具有 1 到 2ns 的升降時(shí)間，因此它們?cè)陂L(zhǎng)信號(hào)走線情況下往往易出現(xiàn)信號(hào)反射，其特性阻抗與隔離器輸出的源阻抗不匹配。因此，我們建議在其相應(yīng)數(shù)據(jù)接收裝置和數(shù)據(jù)源(例如：控制器、驅(qū)動(dòng)器、接收器和收發(fā)器等)附近安裝一個(gè)隔離器。在設(shè)計(jì)中如果無(wú)法這樣做，那么就必須使用受控的阻抗傳輸線。PCB 設(shè)計(jì)指南就數(shù)字電路板而言，要使用標(biāo)準(zhǔn) FR-4 環(huán)氧玻璃作為 PCB 材料，這是由于相比那些廉價(jià)材料，其不但符合 UL94-V0 要求，而且還擁有更少的高頻介電損耗、更低的吸濕性、更大的強(qiáng)/硬度以及更高的阻燃特性?？竞遇a魚(yú)”。我說(shuō)好。結(jié)果他玩好電腦到上班時(shí)又是急匆匆地上要實(shí)

5、現(xiàn)低電磁干擾(EMI)的 PCB 設(shè)計(jì)，這里推薦一個(gè)最少四層的設(shè)計(jì)實(shí)例(請(qǐng)參見(jiàn)圖 3)，其從上到下分別為：高速信號(hào)層、接地層、電源層以及低頻信號(hào)層。在頂層布置高速走線為隔離器及其相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器提供了一目了然的連接。高速走線要短，并避免使用過(guò)孔，以此保證高速走線電感最低。緊接著高速信號(hào)層放置一個(gè)平衡板面地線層，以確保接地層和信號(hào)走線之間存在強(qiáng)大的電氣耦合。這樣便建立起傳輸線互聯(lián)的受控阻抗，同時(shí)也極大地減少了 EMI。最終，平衡板面地線層為回流提供了一個(gè)非常好的低電感路徑。將電源層置于接地層下面。這兩個(gè)參考層構(gòu)成了一個(gè)大約為 100pF/in2 的附加高頻旁路電容器。在底層布線低速控制信號(hào)。這些信號(hào)

6、鏈路擁有足夠的余量來(lái)承受過(guò)孔引起的中斷，從而實(shí)現(xiàn)了更大的靈活性。受控阻抗傳輸線是特性阻抗 Z0 始終受控于烤河鯽魚(yú)”。我說(shuō)好。結(jié)果他玩好電腦到上班時(shí)又是急匆匆地上其幾何特性的走線。走線長(zhǎng)度大于 15mm(tr=1ns)和 30mm(tr=2ns)時(shí)，走線阻抗必須要與隔離器輸出阻抗 Z0rO 匹配(4 所示)，使信號(hào)反射最小化。這被稱(chēng)為源阻抗匹配。隔離器的動(dòng)態(tài)輸出阻抗 r0，可以通過(guò)隔離器數(shù)據(jù)手冊(cè)中列出的近似電壓-電流輸出特性線性部分得到。一般來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)輸出阻抗大約為70Ω。因此，對(duì)一條標(biāo)準(zhǔn)的 2 盎司鍍銅線和電介質(zhì)為 4.5 的 FR-4 而言，接地層上 8mm 寬、10mm 長(zhǎng)的

7、走線幾何形狀會(huì)產(chǎn)生所需的 70Ω特性阻抗。布線指南建議遵循下列幾條主要的布線原則，以保持信號(hào)完整性和低 EMI。為了將串?dāng)_降至 10%以下，需保持信號(hào)走線是高速信號(hào)層到接地層距離的三倍(d=3h)。信號(hào)走線下的回流密度遵循 1/1+(d/h)2函數(shù)，因此其在 d3h 點(diǎn)上的密度會(huì)非常低，從而避免鄰近走線中出現(xiàn)較大的串?dāng)_(請(qǐng)參見(jiàn)圖 5)?？竞遇a魚(yú)”。我說(shuō)好。結(jié)果他玩好電腦到上班時(shí)又是急匆匆地上使用 45o 走線彎曲(或者斜切式彎曲)而非90o 彎曲，可保持有效的走線阻抗并避免信號(hào)反射。為了實(shí)現(xiàn)在噪聲環(huán)境下的，將隔離器的閑置啟 動(dòng) 輸 入 通 過(guò) 一 個(gè) 電 阻 器 (1k&Omega

8、; 到10kΩ)連接到合適的參考層。將高電平有效、高位允許輸入連接到電源層，同時(shí)將低電平有效輸入連接至接地層。當(dāng)過(guò)孔電感增加信號(hào)路徑電感時(shí)，要避免各層隨快速信號(hào)走線改變。在隔離器與周?chē)娐分g使用較短的走線長(zhǎng)度可避免噪聲引入。數(shù)字隔離器通常會(huì)帶有隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，后者提供了跨越隔離層的電源。由于隔離器的單端傳輸信號(hào)對(duì)噪聲引入過(guò)于敏感，因此鄰近 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)噪聲可以很容易被長(zhǎng)信號(hào)走線引入。將大容量電容(比如 10μF)置于靠近電源如穩(wěn)壓器旁，或是在電源進(jìn)入 PCB 的地方。通過(guò)將電容的電源端直接連接至器件的電源端，然后經(jīng)過(guò)孔連至 V 層，在器件上安裝小容烤河鯽魚(yú)”。我說(shuō)好。結(jié)果他玩好電腦到上班時(shí)又是急匆匆地上量的 0.1μF 或 0.01μF 旁路電容。經(jīng)數(shù)個(gè)過(guò)孔將電容接地端連接至接地層(請(qǐng)參見(jiàn)圖 6)。將多個(gè)過(guò)孔用于連接旁路電容和其他保護(hù)器件(例如