集成信号和电源隔离提供鲁棒且紧凑的测量与控制



作者:Baoxing Chen

鲁棒且精确的测量与控制对工业仪器仪表和过程控制应用十分重要。为了防止接地环路影响测量精度,以及避免瞬变电压永久性损坏仪表,诸如RTD或热电偶之类的各种工业传感器一般都需要输入隔离。除了很小的目标差分信号以外,这些传感器还可能承载显著的共模电位或较大的电压瞬变,前者会降低数据采集精度,后者则可能带来安全风险。

类似地,为了安全且精确地操作液压执行器、电磁阀或电机启动器等执行器,需要隔离式模拟输出。除了要将模拟输入和输出与系统地隔离以外,输入之间和输出之间也需要隔离,以便处理不同传感器和执行器的不同共模电位,防止互相干扰。数字隔离器通过取代体积较大且不精确的传统模拟隔离器和光耦合器,已经成功提高了模拟系统性能,并且缩小了系统尺寸。置于检测节点的高分辨率ADC将精密模拟检测信号转换为数字流,然后利用高集成度多通道数字隔离器,通过隔离栅传输至系统微控制器。同样,来自系统微处理器的数字命令也是利用数字隔离器通过隔离栅传输,然后利用高分辨率DAC转换为精确的模拟电流或电压控制信号。数字隔离器消除了模拟隔离器或传统光耦合器相关的信号失真和降级,但是,DAC与控制器件的接口或ADC与传感器的接口需要隔离电源才能工作。

虽然可以利用分立式隔离DC-DC转换器从系统侧提供隔离电源,但它们需要许多分立器件,体积较大且难以设计。这些分立DC-DC转换器的输出也未得到很好的调节,并且在低负载时(低功耗高分辨率ADC或DAC就是如此),其效率极其低下。为实现鲁棒且紧凑的模拟测量与控制系统,需要小型集成式隔离电源和数字隔离。isoPower®是领先的工业数字隔离器iCoupler®技术的扩展,可在超薄紧缩小型封装(SSOP)中提供隔离信号和电源。

isoPower:用微变压器实现信号和电源隔离让我们详细研究一些isoPower器件,看看它们与传统DC-DC方案有何区别。图 1显示了 isoPower器 件ADuM5010(提供最高150 mW隔离电源的集成DC-DC转
换器,采用20引脚SSOP封装)、一个DC-DC设计和一个基于光耦合器的分立设计的尺寸对比。ADuM5010仅占用90 mm²的板空间,其中包括4个表贴陶瓷电容,而总共包括16个器件的分立设计则需要470 mm²的板空间,比isoPower器件多5倍以上。DC-DC模块的尺寸变化不定,但其厚度一般不适合表面贴装。

SSOP封装的隔离式DC-DC转换器可以利用双芯片集成实现,如图1b所示。左边的芯片具备变压器切换电路,右边的芯片则具备整流二极管和反馈控制器。左芯片上集成三个变压器,上方较小的变压器提供反馈信号隔离,下方两个变压器用于传输隔离电源。SSOP上还可以再放置两个芯片,提供额外的数字隔离通道,如图 1c所示。ADuM521x isoPower器件是双通道隔离器,集成150 mW DC-DC转换器。右上芯片上的两个变压器为两个数字通道提供隔离。

左上芯片和右上芯片均有编码和解码电路,用于将数字信号传输到微变压器的另一端。为了将电源传输到隔离栅另一端,这些微变压器以谐振方式高频切换(大约120 MHz),从而实现高效率能量传递。能量调节则通过低频PWM反馈信号(大约500 kHz)实现,该信号控制高频谐振动作保持接通的占空比,如图2所示。两个交叉耦合HVCMOS开关与一个中心抽头变压器一起提供持续振荡,其使能或停止由反馈PWM信号通过开关控制器控制。

图1. (a) 不同隔离电源方案的尺寸比较;(b) 150 mW全集成式DC-DC转换器ADuM5010透视;(c) 集成DC-DC转换器的双通道隔离器ADuM521x透视

图1. (a) 不同隔离电源方案的尺寸比较;(b) 150 mW全集成式DC-DC转换器ADuM5010透视;(c) 集成DC-DC转换器的双通道隔离器ADuM521x透视

使用微变压器的隔离电源传输原理图

图2. 使用微变压器的隔离电源传输原理图

肖特基二极管在芯片2中实现,用于120 MHz的高效整流和改进的II型控制器。为使上电平稳,芯片1中实现了一个软启动电路。上电时,软启动电路提供占空比缓慢提高的PWM信号,以便将输出电压缓慢充电到略低于目标输出电压的预设电平。此时,反馈信号使能,并从软启动输出接管对开关的控制。该软启动序列确保上电时的输出过冲最小,这对于系统可靠性十分要。为了将数据鲁棒地传输到隔离栅另一端,需要使用差分编码和解码。上升沿编码为正极性的短脉冲,下降沿编码为时间相同但极性为负的短脉冲。差分接收器将这些不同极性的脉冲转换为正确逻辑状态的输出。当输入状态长时间不变时,为确保输出更新,还会定期发送刷新脉冲到变压器的另一端:正脉冲表示逻辑高电平,负脉冲表示逻辑低电平。差分接收器可以抑制共模瞬变事件期间拾取的共模电压,实现了50 kV/µs以上的大共模瞬变抑制性能。将32 µm厚聚酰亚胺层夹在初级线圈与次级线圈之间,可以实现3.75 kV 1分钟的UL额定隔离。isoPower变压器的横截面如图3所示。

isoPower变压器的横截面

图3. isoPower变压器的横截面

上绕组和下绕组均有6 µm厚Au以实现高效电源传输。聚酰亚胺具有非常好的抗高压瞬变性能,电涌保护能力高于10 kV。此外,聚酰亚胺还具有明确的老化特性。在1.2 kV到3 kV的各种电压下测量失效时间,其曲线如图4所示。基于典型的聚酰亚胺老化拟合模型L ~ ev-n,400 V rms时的寿命超过100年,足以满足许多工业应用的需求。除了高压特性以外,工业应用还涉及到辐射等EMC要求。isoPower变压器耦合紧密,直径只有几百微米,因此变压器的辐射非常有限。isoPower变压器也采用s型配置实现,如图5所示。在远场中,可以将变压器的每一半设计为相位相反,使得来自某一半的磁通量与来自另一半的磁通量抵消。虽然变压器的辐射可忽略不计,但设计使用isoPower产品的PCB时必须谨慎。除了通过良好的旁路将噪声约束在器件以内,还需要仔细设计PCB的隔离岛,切勿形成有效的偶极子天线。isoPower器件配合妥善设计的PCB使用可满足CISPR A类或B类标准。

测量与控制的信号和电源隔离需求

对于恶劣环境下的各种工业应用,为了安全可靠地测量电流、电压、温度、压力、流速或其它参数,需要通过隔离来消除接地环路,避免用户或设备直接接触危险电压,因此隔离对于维护数据完整性和保障用户/设备安全至关重要。除了信号隔离,还需要电源隔离来为ADC或DAC提供偏置电压,以便与各种传感器接口。将隔离器件(例如基于光耦合器的器件)塞进一个很小的区域是非常困难的,因为存在许多模拟输入或输出,它们不仅需要与背板隔离,模拟通道之间也需要隔离。集成信号和电源隔离是为各种模拟I/O端口实现紧凑且鲁棒的隔离的理想解决方案。

isoPower产品的高压寿命

图4. isoPower产品的高压寿命

 isoPower变压器配置

图5. isoPower变压器配置

图6是一个用于工业仪器仪表或过程控制设备的隔离信号和电源方案示例。一个isoPower器件,例如集成150 mW隔离电源的双通道数字隔离器ADuM5211,就能满足指定模拟输入通道的所有隔离需求。一个隔离数据通道用于将系统时钟从微控制器发送到ADC,相反方向的另一个数据通道将采集到的数据从传感器送回微控制器。对于彼此需要隔离的多个传感器,可以使用多个ADuM5211。类似地,一个isoPower器件例如集成150 mW隔离电源的双通道数字隔离器ADuM5210,就能满足指定模拟输出通道的所有隔离需求。

两个数据通道用于将时钟和数字命令从微控制器发送DAC以控制执行器。对于彼此需要隔离的多个执行器或模拟输出,可以使用多个ADuM5210。图6中的红色水平虚线表示不同传感器和执行器之间的隔离栅,右边较长的红色垂直虚线表示系统与模拟I/O端口之间的隔离。对于不同过程控制设备之间的通信,系统控制器与通信总线(如RS-485、RS-232、CAN等)之间需要补充隔离,如图6中的较短红色垂直虚线所示。同样,单个isoPower器件,例如完全集成的带500 mW隔离电源的隔离式RS-485收发器ADM2587,就足以为单台设备提供完整的总线接口隔离。

这里,ADM2587提供集成式RS-485收发器和三个数字隔离通道,其中两个用于将“驱动”和“驱动使能”信号从微控制器发送到总线,另外一个用于将接收到的数据从总线发送到控制器。可以看到,集成信号和电源隔离大大简化了工业设备的测量、控制和通信接口。

使用isoPower的完全隔离式工业测量与控制系统

图6. 使用isoPower的完全隔离式工业测量与控制系统

电池测量或测试设备也有类似的信号和电源隔离需求。各电池单元的电压和电流需要连续监控以便维护电池寿命,但整个串联电池组的总电压可能高达数百甚至数千伏。为了与位于堆叠不同位置的不同电池组接口,电池监控IC需要与系统控制器隔离,并且需要隔离电源以便在电池发生故障时妥善关闭系统。

结论

与基于光耦合器和分立变压器的解决方案相比,采用微变压器和小型封装的集成信号与电源隔离方案可大幅简化工业测量和过程控制系统的设计,显著缩小电路板空间并降低成本。它能在恶劣工业环境下提供可靠且精确的测量与控制。

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