隔离

Conal Watterson博士 ADI公司应用工程师

对处于恶劣环境中的外部接口需要予以电流隔离,以增强安全性、功能性或是抗扰能力。这包括工业测量和控制所用数据采集模块当中的模拟前端,以及处理节点之间的数字接口。

在过去,最多数Mb的带宽对转换器接口或工业背板就足够了,所以使用光耦合器便能对串行外设接口(SPI)或RS-485之类的协议进行隔离。数字隔离器改善了此类隔离接口的安全性、性能和可靠性,并且提供集成式隔离和I/O。然而,工业4.0和物联网(IoT)这类趋势要求以更高的速度与精度进行更为普及的测量与控制,因而越来越需要更大的带宽。

电流隔离的需求也随之激增,因为有更多与物理域进行的数字互动需要避免电机和电力系统、操作员、静电放电、以及诸如雷击所造成的浪涌等外部因素所带来的影响。精密测量可能也需要与噪声源(像是更为局部的微型电力电路和高速数字处理等)隔离。

低压差分信号传输(LVDS)是一种在更高性能转换器和高带宽FPGA或ASIC I/O中常用的高速接口。差分信号传输对于外部电磁干扰(EMI)具有很强的抑制能力(因为反相与同相信号之间的互相耦合所致),同时也相应地可以将任何因为LVDS信号传输所造成的EMI最小化。在LVDS接口上增加隔离是一种透明解决方案,可以将其插入高速和精密测量以及控制应用的现有信号链当中。

当今有哪些选择?

对于转换器和处理器接口的电流隔离,同光耦合器相比,标准数字隔离器是快得多、鲁棒且更为可靠的解决方案。然而,支持高速或精密转换器的典型LVDS数据速率为数百Mbps,但最快速的标准数字隔离器最多支持150 Mbps。

为了支持更高带宽的隔离,系统设计者当前已转向定制化设计密集型解决方案,像是解串行化或利用变压器、电容器的分离方案。这些方案会增加成本与设计时间,解串行化方案甚至可能需要外加一组简单的FPGA,其目的仅仅是为了实现隔离功能。变压器和电容器需要对LVDS信号加以谨慎的信号调理,由此得到的应用和数据速率特定的解决方案将需要交流平衡编码。进一步的解决方案是使用光纤通信链路,但考虑到成本和更高的复杂度,这更适合于数Gb的需求。图1所示为高速隔离的各种方案选择,以价值主张(依据设计的难易和成本)相对于方案的最大速度所绘制。

隔离器实施的价值主张与隔离器速度的关系

图1. 隔离器实施的价值主张与隔离器速度的关系

作为对比(如图2所示),ADI公司已经推出了一系列直接可用的LVDS隔离器:ADN4650/ADN4651/ADN4652,采用针对高达600Mbps速率而增强的iCoupler®技术。除了TIA/EIA-644-A LVDS兼容I/O之外,其完整的隔离器信号链是全差分式,实现了高抗扰能力及低辐射的解决方案。它提供两个隔离式LVDS通道,一个发射一个接收(ADN4651,ADN4652相反),或是两个发射或接收(ADN4650)。内部高速电路以2.5 V电压工作,工业系统中可能没有这种供电轨,因此其内置图3所示的低压差稳压器(LDO)以支持单一宽体SOIC解决方案,即使采用3.3 V电源供电也无妨。

ADN4651 600 Mbps LVDS隔离器框图

图2. ADN4651 600 Mbps LVDS隔离器框图

这些新型LVDS隔离器是否是直接可用的解决方案?

为了保证这些LVDS隔离器能够插入转换器至处理器的接口中,或是以高达600 Mbps运行的处理器内链路中,ADN465x系列有着超低抖动的精密时序。这点相当重要,因为在600 Mbps下,单位间隔(UI,例如位时间)只有1.6 ns,因此边缘上的抖动必须非常小,以便接收器件有足够的时间去对位进行采样。ADN465x的典型总抖动为70 ps,或在600 Mbps下小于5% UI,假设误码率为1×10-12。

如何量化抖动?

查看抖动的最基本方法是用差分探针去测量LVDS信号对,并且上升沿和下降沿上均要触发,示波器设定为无限持续。这意味着高至低和低至高的跃迁会相互迭加,因此可以测量交越点。交越宽度对应于峰峰值抖动或截至目前所测得的时间间隔误差(TIE)(比较图3所示的眼图和直方图)。有一些抖动是随机来源(像是热噪声)所导致,此随机抖动(RJ)意味着示波器上所看到的峰峰值抖动会受到运行时间的限制;随着运行时间增加,直方图上的尾巴会升高。

ADN4651的眼图和直方图

图3. ADN4651的眼图和直方图

相比之下,确定性抖动(DJ)的来源是有界限的,例如脉冲偏斜所导致的抖动、数据速率相关抖动(DDJ)和符码间干扰(ISI)。脉冲偏斜源于高至低与低至高传播延迟之间的差异。这可以通过偏移交越实现可视化,即在0 V时,两个边沿分开(很容易通过图3中直方图内的分隔看出来)。DDJ源于不同工作频率时的传播延迟差异,而ISI源于前一跃迁频率对当前跃迁的影响(边沿时序在一连串的1秒或0秒与1010模式码之后通常会有所不同)。

为了完整地估算特定误码率下的总抖动(TJ@BER),RJ与DJ可以依据测量得到的TIE分布所适配的模型来计算。此类模型中的一种是双狄拉克模型,它假设高斯随机分布与双狄拉克δ函数卷积(两个狄拉克δ函数之间的分隔距离对应于确定性抖动)。对于具有明显确定性抖动的TIE分布而言,该分布在视觉上近似于此模型。有一项困难是某些确定性抖动会对高斯分量带来影响,亦即双狄拉克函数可能低估确定性抖动,高估随机抖动。然而,两者结合仍能精确估计特定误码率下的总抖动。

RJ规定为高斯分布模型中的1 σ rms值,若要推断更长的运行长度(低BER),只需选择适当的多σ,使其沿着分布的尾端移动足够长的距离(1×10-12位错误需要14 σ)即可。接着加入DJ以提供TJ@BER的估计值。对于信号链中的多个元件,与其增加会导致高估抖动的多个TJ值,不如将RJ值进行几何加总,将DJ值进行代数加总,这样将能针对完整的信号链提供更为合理的完整TJ@BER估计。

ADN4651的RJ、DJ和TJ@BER全都是分别指定的,依据多个单元的统计分析提供各自的最大值,藉以确保这些抖动值在电源、温度和工艺变化范围内都能维持。

不同LVDS接口如何仰赖精密数据跃迁?

典型接收器可以容许10%至20% UI的抖动,举例来说,利用ADN465x隔离外部LVDS端口将能使工业背板在PLC与I/O模块间的缆线上安全地延伸。最大缆线距离取决于容许数据速率、缆线结构以及连接器类型,但在较低数据速率(例如200 Mbps)且使用高速连接器和适当的屏蔽双绞线时,数米缆线长度是有可能实现的。

模数转换器(ADC)接口通常利用LVDS进行信号源同步数据发送。这意味着LVDS时钟会与其他LVDS通道上的一个或多个数据位流并行发送。ADN4650的低通道间和器件间偏斜(分别为≤300 ps和≤500 ps)对此很有利。这些偏斜值说明了多个通道上的高至低(或低至高)传播延迟之间的最大差异,从统计意义上保证了所有ADN4650器件在电源、温度和工艺变化范围内的性能。在上升和下降时钟沿上均进行数据传输以实现双倍数据速率(DDR)时(某些转换器会利用DDR来提高输出带宽),≤100 ps的低脉冲偏斜支持时钟同步。

ADC采样时钟可能需要加以隔离,以便将使用外部时钟源的模拟前端成功地完全隔离;举例来说,为一组多重数据采集通道同时提供时钟信号。这对任何隔离器来说都是挑战,因为时钟上的任何抖动都会直接增加到孔径抖动上,进而降低测量质量。同时钟源一样,LVDS信号链中用于时钟分配的器件,例如扇出缓冲器,通常都会将此抖动规定为加性相位抖动。这意味着输入时钟的相位噪声会与输出时钟的相位噪声进行比较,并将其差值在相关频率范围(一般为12 kHz至20 MHz)上进行积分。ADN465x系列本质上属于集成隔离功能的LVDS缓冲器,所以同样的观点也适用于分析对ADC采样的影响。使用ADN465x时,确保典型加性相位抖动只有376 fs,这样即使增加电流隔离,也能维持原始测量质量,因为增加隔离可以消除处理器端数字电路中的噪声。

用于AD7960和SDP-H1的ADN4651隔离电路

图4. 用于AD7960和SDP-H1的ADN4651隔离电路

在采样时钟被隔离的情况下,600 Mbps的无错误传输、与300 MHz时钟同步以及最高ADC性能和分辨率,已经通过参考电路CN-0388中的AD7960(18位、5 MSPS、SAR ADC)加以验证,如图4所示。利用能够透明隔离模拟前端的转接卡,将ADC电路板与高速SDP-H1评估平台之间的现有ADC评估平台进行隔离。软件没有更动,利用精密模拟信号源对数据手册规格所做的评估确认其具有与非隔离平台相同的性能。

还有哪些应用可以使用LVDS隔离?

隔离式模拟前端或隔离式工业背板是两个很有用的应用范例,可以很好地展示LVDS隔离所提供的机会,但此技术还有很多其他应用。送到平板显示器的视频信号通常使用LVDS信号,而HDMI®信号使用类似的差分信号共模逻辑(CML)。这些通常不需要隔离,但是对于医疗成像或工业PC中的外部显示端口之类的应用而言,电流隔离可以保护人体或设备。

作者简介

Conal Watterson博士是ADI公司接口与iCoupler®数字隔离器部的应用工程师,工作地点在爱尔兰利默里克。Conal拥有利默里克大学博士和工程硕士学位,自2010年以来发表了很多关于工业现场总线网络、诊断/可靠性、高速信号和隔离的论文和文章。他目前专注的主题是集成隔离通信解决方案和隔离电源、高速接口以及EMC和隔离标准合规性。

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简介

随着互联网和通信基础设施的蓬勃发展,数字控制技术在电 信、网络和计算机的电源系统中越来越受欢迎,因为这类技术 具备灵活性、器件数量减少、先进的控制算法、系统通信、对 外部噪声和参数变化不太敏感等极具吸引力的优势。数字电源 广泛用于高端服务器、存储、电信砖式模块等经常会有隔离需 求的应用。

隔离在数字电源中的挑战是在紧凑的面积下如何快速准确地传 输数字信号或模拟信号通过隔离边界。然而,传统光耦的解 决方案有带宽比较低,电流传输比(CTR)会随温度和时间发生大 幅变化等问题。而变压器的解决方案有体积庞大、磁饱和等问 题。这些问题限制了光耦合器或变压器在某些高可靠性应用、 紧凑型应用以及长寿命应用中的使用。本文讨论利用ADI公司 iCoupler®产品的数字隔离技术,来解决在数字电源设计中遇到 的这些问题。

需要隔离的原因

在设计电源时,遵守安全标准对于保护操作人员及其他人员免 受电击和有害能量的侵害至关重要。隔离是满足安全标准要求 的重要方法。许多全球机构(比如欧洲的VDE和IEC以及美国的 UL)规定了不同输入和输出电压(稳态和瞬态)水平的隔离要 求。例如,在UL60950中介绍了五类绝缘:

► 功能绝缘:仅在设备正常运行时需要的绝缘。

► 基本绝缘:提供基本电击防护的绝缘。

► 补充绝缘:基本绝缘外的独立绝缘,用于在基本绝缘发生 故障的情况下降低电击风险。

► 双重绝缘:包括基本绝缘和补充绝缘的一种绝缘。

► 加强绝缘:一种单一绝缘系统,提供一定程度的电击防 护,在本标准规定的条件下相当于双重绝缘。

原边控制与副边控制对比

根据控制器的位置,隔离电源控制方式分为原边控制和副边 控制两种。表1对比了原边控制和副边控制的功能。在下表 中,UVP和OVP分别代表欠压保护和过压保护。

表1. 原边控制与副边控制的功能对比

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副边控制

ADP1051是ADI公司先进的数字电源控制器,具有PMBus™接口, 面向中间总线转换器等高功率密度和高效率应用。2 ADP1051基 于灵活的状态机架构,提供众多颇具吸引力的特性,比如反向 电流保护、预偏置启动、恒流模式、可调输出电压压摆率、自适应死区时间控制以及伏秒平衡,与模拟解决方案相比,减少 了大量的外部元件。一般而言,ADP1051更常用于副边控制, 因为它与系统通信非常方便。因此,同步整流器的PWM信号以 及VOUT检测等信号无需跨越隔离边界与系统进行通信。不过在 这种情况下,需要辅助电源在启动阶段从原边向副边控制器 ADP1051提供初始电力。此外,来自ADP1051的PWM信号需要跨 越隔离边界。下文讨论了三种解决方案,即栅极驱动变压器、 数字隔离器和隔离式栅极驱动器。

栅极驱动变压器

图1显示了采用栅极驱动变压器解决方案的数字电源的功能框 图。在此解决方案中,副边控制器ADP1051向ADP3654发送PWM 信号,ADP3654是双通道4 A MOSFET驱动器。ADP3654随后驱动 一个栅极驱动变压器。栅极驱动变压器的功能是将驱动信号从 副边传输到原边并驱动原边MOSFET。辅助隔离电源在启动阶段 为ADP1051供电。

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图1. 采用ADP3654解决方案驱动栅极驱动变压器

栅极驱动变压器解决方案的优势包括延时较少,成本更低。但 需要更仔细的栅极驱动变压器设计,因为变压器每过一段时间 就需要复位,否则将会饱和。对于半桥拓扑的栅极驱动变压器 设计,经常采用双端变压器,如图2所示。

图2所示为由ADP3654驱动的栅极驱动变压器的电路。ADP3654 的VOA输出和VOB输出通过隔直电容CDC连接到栅极驱动变压器。 考虑到所有工作条件下所需的最大伏秒数,为半桥选择最大 50%的占空比。选择磁芯后,可以使用下方的公式1计算初级绕 组NP的数量:

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其中,VDD是初级绕组两端的电压,fs是开关频率,ΔB是半个开 关周期内的峰峰磁通密度变化,Ae是磁芯的等效横截面积。当 VOA驱动为高电平且VOB驱动为低电平时,Q1开启,Q2关闭。当 VOB驱动为高电平且VOA驱动为低电平时,Q2开启,Q1关闭。需要 注意的是,该栅极驱动变压器适用于对称半桥,不适用于非对 称半桥或其他有源钳位拓扑。

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图2. 双端栅极驱动变压器。

数字隔离器

图3显示了实施数字隔离器解决方案的数字电源的功能框图。 双通道数字隔离器ADuM3210用作数字隔离,可将来自副边控制 器ADP1051的PWM信号传输到原边半桥驱动器。

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图3. 数字隔离器解决方案。

相比复杂的栅极驱动变压器设计,数字隔离器解决方案尺寸更 小,可靠性更高,使用更简单。此解决方案没有占空比限制, 也没有饱和问题。由于节省了50%以上的PCB空间,因此可实现 高功率密度设计。

隔离式栅极驱动器

为了进一步简化设计,集成了电气隔离和强大栅极驱动功能的 4A隔离式半桥栅极驱动器ADuM7223提供独立的隔离式高端和低 端输出。图4显示了隔离式栅极驱动器解决方案。

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图4. 隔离式栅极驱动器解决方案。

在图5中,将ADuM7223隔离式栅极驱动器配置为自举栅极驱动 器来驱动半桥。DBST是外部自举二极管,CBST是外部自举电容。 在低端MOSFET Q2开启的每个周期内,VDD会通过自举二极管为 自举电容充电。为最大限度降低功耗,需要使用正向压降低且 反向恢复时间短的超快二极管。

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图5. 隔离式栅极驱动器配置为自举栅极驱动器。

原边控制

由于原边控制无需辅助隔离电源,并且具有简单的控制架构, 因此在某些低成本应用中,原边控制更为普遍。根据隔离控制 路径,下文论述了三种解决方案:线性光耦合器、普通光耦合 器(带标准放大器)以及隔离式放大器。

线性光耦合器

隔离数字电源中的输出电压通常需要快速准确的隔离反馈。光 耦合器经常用于将来自副边的模拟信号发送到原边,但其CTR 会随着温度而发生极大变化,且性能也会随着时间推移而下 降。图6显示了TCET1100的归一化CTR与环境温度特性。在该图 中,CTR的变化率在–25°C到+75°C的范围内会超过30%。

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图6. TECT1100的归一化CTR与温度。

如果在反馈环路中直接使用普通光耦合器来传输输出电压时, 很难保证输出电压精度。而普通光耦合器与误差放大器配合使 用,一般是传输补偿信号而不是输出电压信号。而ADP1051在 芯片内部已实现了数字环路补偿,因此不再需要补偿信号。一 种解决方案是使用线性光耦合器来线性传输输出电压,如图7 所示。但线性光耦合器成本高昂,这意味着用户必须支付额外 费用。

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图7. 线性光耦合器解决方案

普通光耦合器(带标准放大器)

另外可使用一个普通光耦合器和一个标准放大器来实现原边控 制电路,如图8所示。在本例中,可实现高输出电压精度,不 会因为光耦合器的CTR温度变化而发生大幅变化。测量结果表 明,输出电压变化范围为±1%,当CTR范围为100%-200%。

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图8. 光耦合器(带放大器)解决方案。

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当CTR随温度而变化时,放大器的输出将补偿此变化以保持输 出电压的高精度。需要注意的是,放大器的稳定工作点和摆幅 范围应设计得足以满足CTR随温度而变化的要求,以防放大器 的输出饱和。

隔离式放大器

第三种解决方案是隔离式放大器,比如图9所示的ADuM3190。 ADuM3190是一种隔离式放大器,与光耦合器相比,具有高带宽 和高精度的特性,因此非常适合具有原边控制器的线性反馈电 源。与常用的光耦合器和分流稳压器解决方案相比,该解决方 案在瞬态响应、功率密度和稳定性方面均有所提高。只要设计 得当,ADuM3190可实现±1%的输出电压精度。

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图9. 隔离式放大器解决方案。

结语

如今由于电信、网络及计算机电力系统的安全性、高可靠性、 高功率密度以及智能管理的要求日益提高,隔离技术将发挥越 来越重要的作用。与传统的光耦合器和变压器解决方案相比, ADI公司的iCoupler ADuM3210、ADuM7223和ADuM3190结合数字电 源控制器ADP1051可提供高可靠性、高带宽和高功率密度的解 决方案。

参考资料

1 Baoxing Chen.“微变压器隔离有利于数字控制。”

Power Electronics Technology ,2008年10月。

2 ADP1051数据手册。ADI公司,2014年。

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Hein Marais ADI 公司应用工程师

在仪器仪表、过程控制、工业自动化、电机和功率控制、医疗保健等应用中,需要将信息从各种传感器传送到中央控制器进行处理和分析。系统根据分析结果和用户输入进行优化。为了维护用户接口必须的安全性,并且防止来自信号源的耦合瞬变,必须进行电气隔离。此类系统的例子有很多,例如,精密机械臂需要在有电弧焊等设备的恶劣工业环境下工作,病人监护仪需要在除颤期间工作。

设计系统时必须考虑市场要求,尤其应满足EMC要求。出售产品到欧盟时,需要CE标志;出售产品到美国时,也存在类似要求,如FCC分类认证。为取得这些认证,系统需要执行并通过一套EMC测试。

CISPR 1. EMC类别

图 CISPR 1. EMC类别

EMC的要求就好像是做一个好邻居——不制造过大噪声,同时能够容忍邻居的吵闹。这可以从图1看出,EMC分为两个方面;抗扰度和发射。发射可进一步分为传导发射和辐射发射,而抗扰度可分为传导抗扰度、辐射抗扰度、瞬变抗扰度和容错。

不同类别都存在系统标准,必须符合标准才能获得CE标志或FCC分类认证,如图2所示。在工业和医疗系统环境中,传导和辐射发射通常必须符合EN55011、EN55022或FCC Part 15标准。

传导抗扰度必须符合IEC61000-4-6标准,辐射抗扰度必须符合IEC61000-4-3标准。瞬态可分为三类:ESD(静电放电)和标准IEC61000-4-2,EFT(电气快速瞬变)和标准IEC61000-4-4,以及浪涌和标准IEC61000-4-5。

建筑安防解决方案领域的另一个重大进步是从有线接口转变为无线接口,这种转变不仅出现在单个传感器节点和控制面板之间,还包括整个系统部署及其关联远程监控站或运营中心。几十年来,传感器和面板连接都是采用低压串行接线,这种最常见的RS-485类型常见于许多其他建筑控制应用。这种硬连线接口工作量很大,而且会增加系统安装成本。随着超低功耗和短程无线技术的出现,许多制造商已经扩展了其硬件系统产品组合,涵盖无线系统版本,能够使初始部署更简单、更轻松。这种转变缩短了实施时间,降低了成本,而且显著扩大了市场规模,因为这种方式允许合理的改装,而不是像过去那样,只能通过新的建筑销售来推动市场发展。此外,在后端连接区域,过去的入侵检测系统市场是将电话线或POTS连接与远程监控站或运营中心——对应,而现在已发展为利用Wi-Fi/网关互联网链路以及地面移动电话网络连接,这不仅可拓宽部署选项的发挥空间,而且可消除安装入侵检测系统所需的固定电话连接。

EMC类别和标准

图2. EMC类别和标准

系统设计完成后遇到EMC问题会非常难以解决,因为随着设计的进行,可用来解决EMC问题的技术越来越少。必须在项目一开始就考虑EMC设计,从而尽量减少花费在电路板迭代上的时间,同时还可缩短设计时间并降低项目成本。

利用数字隔离器可以非常有效地应对EMC瞬变威胁,因为电气隔离栅允许数据流通,但禁止电流流通。与此同时,数字隔离器谨遵“好邻居”规范,不会产生噪声来影响相邻器件。电气隔离可利用隔离栅上的不同耦合元件实现。传统上使用光学方法,但它们非常耗电,而且由于使用发光源,寿命有限。数字隔离器可利用感性或容性耦合方法实现,绝缘材料使用聚酰亚胺和SiO2等,具有寿命长、功耗低等优势。

ADI公司的新系列开关键控i Coupler®数字隔离器ADuM1xx和ADuM2xx在隔离栅上实现感性耦合,已被证明非常鲁棒,可应对大瞬变威胁。这些器件还能以高数据速率工作,并且满足所需的辐射发射标准。下面是新系列数字隔离器产品的一些特性:

� 浪涌瞬变抗扰度:高达16 kV峰值(基本)
� 共模瞬变抗扰度:100 kV/μs
� 600 V rms工作电压下耐受电压为5 kV
� 高数据吞吐速率:高达150 Mbps
� 超低传播延迟:13 ns(最大值)
� 宽电源电压范围:1.7 V至5.5 V

作者简介

Hein Marais 2001年毕业于南非斯坦陵布什大学,获得电子学学士学位。他最初就职于南非空军,从事电子战系统工作。2003年,他加入Grintek Communication Systems,参与军用无线电的软件和硬件设计工作。2007年,Hein加入ADI公司,目前是利默里克接口与隔离应用团队的应用工程师。

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