隔离

作者:Mark Cantrell,ADI公司应用工程部

工作场所中的除颤器

这些除颤器实际上会提供语音和图形方式的指导,使得一个从来没有用过这种机器的用户能够正确地使用监护仪和导联开关。机器随后会做出判断,决定施加多少电能在病人身上,同时避免新手操作人员伤害到自己或痛苦的病人。当EMT到达现场后,就能接上除颤器并下载储存的数据,以便带回医院供医生查看分析。

医疗保健何去何从

这个故事说明了技术的成功之处,以及面临的挑战。医疗设备将不再限于临床应用,而是越来越多地走进人们的日常生活。这些设备包括:健康辅助装置(如手机中的卡路里计算器应用程序或跑步机上的心率监护仪)、维持生命的药物输液泵、长期生命体征监控记录、紧急治疗设备(如除颤器)。为了让医疗监护和用药走进家庭,这些设备将具备以下特性:

1. 便携:小巧且功耗低,甚至上了年纪的病人都不会认为它们是累赘。

2. 智能:利用提供的监护信息能够确认配置正确,可以完成目标任务,或者提醒立刻关注。

3. 安全:它们必须设计为具有等同于医院中使用的较老产品型号的安全性,同时又能够让人无需接受培训即可使用。

4. 连接:可轻松编程、更新和读出数据。这些设备必须能够与非医疗设备实现接口(如商用联网计算机),以便与远程医疗机构通信。

安全性

医疗保健设备的革新要求更加关注安全性,而且关注程度丝毫不亚于现在医院里使用的电子设备。安全性包括很多方面;设备必须能够自我诊断连接是否正确,以及病人状况如何。设备必须能够阻止使用不当或恶意篡改。出于隐私方面的要求,必须以安全的方式保存和传输病人资料。还要求具有电气安全性,因此与非医疗通信设备或其它家用电器连接时,高压或泄漏电流不会流入人体。电气安全性在很大程度上都通过隔离来保证。隔离阻断主电源或其它医疗设备(如除颤器等产生高电压的设备)到设备电源的电气路径。本文的其余部分将说明如何实现医疗设备连接的安全隔离,重点讨论那些用于非临床环境下的情况。在医疗应用中,病人特别容易受到电子设备的影响。在皮肤这一保护层之下的人体富含由血液和细胞质组成的盐水。盐水是良好的电导体,而皮肤在干燥的时候则是良好的绝缘体。试图监控人体内部情况的医疗设备,其大面积的电极和导电胶会降低皮肤阻抗。于是,这些电子设备的任何非预期信号容易产生电流,流经病人身体,破坏神经系统并影响心脏等器官的肌肉。设计具有电气安全性的电子设备时,这些重要的电气安全性要求便是IEC60601医疗安全标准中的一部分。甚至像运动器械上的心率仪等看上去非常普通的应用,也必须符合隔离规范,以保证安全性。那些性命攸关的设备则必须符合更严格的标准。

保护设备不受有害电源影响并控制接地

电子设备中最主要的非预期信号来源是电网。医疗应用必须能够阻隔50 Hz至60 Hz线路上的交流泄漏、雷击导致的瞬变、开关噪声以及线路故障条件。这一点并非仅针对医疗设备;但是医疗设备在这方面的要求更严格,并且泄漏水平取决于设备与病人相连的方式。

设备和病人之间的连接亦须隔离,以防病人使用多个医疗设备时,设备使用其它的连接作为另一条回路,导致意料外的电流走向。此外,如果病人能够接触连接了大楼安全接地的任意设备(如家用电器或金属床架),电流必须无法通过那条路径。针对病人的绝缘需要用到两个独立的绝缘系统,或经证明等同于两个系统的单一系统。这称为双重病人保护隔离,或简称2MOPP。

难点在于提供针对通信和家庭医疗设备电源的安全性。下面将重点讨论通信接口。

电子设备如何达到隔离要求

典型的家用医疗保健电子设备需要与其它医疗设备或现有的家用电子设施进行通信。它要能够符合隐私与安全要求,保证信息不被拦截或破坏。它应当符合IEC60601规范中的泄漏和安全要求。通常电气连接需要提供双重病人保护,具有4 kV额定耐受电压以及极低的容性泄漏和防除颤额定性能。

方法:满足电气安全性要求的方法有几种。

射频通信

第一种方法是通过射频链路(如低功耗蓝牙或ZigBee标准)通信,这样可完全避免电气连接。一款具有非导电性外壳的电池供电医疗设备即可满足所有的隔离要求。蓝牙的优势是大部分笔记本电脑和智能手机都提供这种功能,因此设备能够对接,实现数据记录或远程控制。ZigBee接口需要额外的接口硬件才能实现与非医疗联网设备的交互,如家用型笔记本电脑。这种方式非常适合数据速率较低并且不方便连接电线的监护仪。

射频通信的弊端是这种类型的链路容易受到射频源的干扰,并且容易遭受恶意篡改。由于信号在空中传播,医疗隐私法要求对数据进行加密以防数据拦截;这对于简单的设备而言将消耗大量的应用资源。建立这类连接还要求具备一定的知识,对于老年病人而言并不是很简单。虽然射频通信符合所有的安全规范,但它的稳定性使其不太适合性命攸关的应用。然而,无线技术具备的移动性使其成为未来的首选通信方式。

采用这种方式的应用包括内置监护仪的贴片,以及自动记录数据的血糖仪。这些设备不需要始终保持连接以确保用户的安全。

机械式联锁

有线接口最适合对数据完整性和稳定性有所要求的场合。

数据能够以高速度传输,并且几乎不存在误差,同时连接还能提供电源。常用的接口为USB、RS-232以及RS-485。有线接口足够稳定可靠,可用于数据记录、提供维持生命应用中的关键控制信息、以及设备的编程更新。USB是家用电子产品唯一的标准接口,如PC和手机。但这种接口必须符合IEC60601的严格隔离要求。普遍的做法是将设备设计为非隔离式接口仅在设备不与病人接触时才能使用。例如,USB端口可放置在盖板下,盖板可在设备工作时阻隔USB连接器。这类设计的优势是价格低,但缺点是不能实时监控,以及不适合那些无法轻易去除设备与病人之间连接的应用。因此,这种方式非常适合不需要持续连接病人的设备,但不太适用于像输液泵等这类进入病人体内且必须在临床环境下使用的设备。

而现场部署的除颤器则采用另一种方式的机械式联锁。这些设备可直接与其外壳联网,一旦除颤器被放置在壁式外壳中,它便联网并充电。设备会执行周期性自检、检查电池状况并通过网络汇报状态数据。使用除颤器时,必须将其从墙壁上取下来,这样会断开网络和电源。机械式联锁的最后一种类型是可移除存储器元件。与数码相机中的SD卡类似,数据写入存储卡,然后将存储卡取出放入另一个读卡器中。最后数据将被传送到需要的地方。这是最费力的方法,因为可能不会要求病人去做这些事情。

隔离接口

实现通信最可靠的方式是使用有线隔离接口。它具有有线接口的稳定性;还能通过内置的隔离式DC-DC转换器提供电源。它支持高速上传和下载,并且能在设备连接病人的同时使用。有线接口不需要对数据加密,降低了处理器开销。软件维护也能在设备工作的同时完成。该接口还可通过设置,在高数据速率下实现实时远程监控,比如病人需要进行常规随访时,医生可以远程获得ECG。这些接口的隔离传统上依赖光耦合器之类器件,存在速度限制且集成能力较差。在新型应用中,医用级数字隔离器正在取代光耦合器,不存在这些限制。

本文“机械式联锁”部分提到的通信接口可通过合适的数字隔离器实现隔离。多年以来,RS-232和RS-485一直是隔离式医疗通信的主要接口类型。它们兼容ADI的ADuM2201等产品,符合IEC60601标准中有关2MOPP医疗额定性能的规定。遗憾的是,这些接口并不为非医疗电子设备所采用。这使得USB成为使用最广泛的接口。ADI公司的ADuM4160现已实现USB隔离,同样具有2MOPP的防除颤保护功能。它可设计用于输液泵、除颤器、无创式血糖仪以及多种临床用病人监护仪。它可以直接与非医用级的PC对接,因此可以进行实时监控,同时其连接依然具有完整的防去颤能力,符合相关的泄漏规范。甚至在使用无线通信的系统中,亦提供了USB端口用于软件维护和电池充电等重要操作。由于总是存在需要连接USB的情况,因此出于安全考虑进行了端口隔离。有线接口的不足之处是移动性较差。

除颤器隔离

图1中的除颤器具有几个不同的接口,并使用了多种隔离技术,因此它是检查隔离式通信接口的极佳示例。设备必须使用ECG监控病人的心脏活动,以便决定是否进行除颤。ECG数据路径必须与除颤器的高压部分相隔离,以便在病人身上施加电击时不会熔断敏感的ECG电子器件。可通过隔离栅极驱动器和数字隔离器在内部实现隔离。设备还可集成以太网接口,当设备闲置在墙上时进行状态监控;以太网采用机械式联锁,因此当除颤器从墙上取下时便无法使用。类似地,电池充电系统也接在墙上并进行联锁。最后一个需要进行隔离的功能是通信端口,它允许下载ECG和除颤数据,供医生查看分析。该连接一般会隔离USB接口,因此无需将设备与病人断开即可获取数据。

典型急救除颤器

图1. 典型急救除颤器

结论

医疗监护仪和提供治疗的设备正在打破临床环境与提供医疗保健之间的必然关系。这些设备使生活质量大为提高,允许人们在家接受高质量的治疗和监护。完整的移动监护和治疗给药系统可实时分析人体需求并进行精确的实时给药。例如,胰岛素输液泵能模仿人体的胰岛素反应,针对非卧床病人实现更佳的疾病管理。通过新技术,还可让暂时无法到达医院或诊所的病人将他们的监控数据上传到几小时路程以外的医院。心脏监护仪可在病人出现症状之前检测到发病情况。

信息必须在医疗设备、医师以及设备维护公司之间实现双向传递。诸如剂量等工作参数必须传送给设备。设备的固件应当始终保持最新版本。使用多种方法保持电气安全性。本文中的所有方法针对高度安全可靠的家用或临床医疗保健设备均有效。可根据特定应用的相关需求做出选择。

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工业应用现场的电磁噪声环境往往十分复杂,电磁噪声的辐射或传导(EMI)可能会严重干扰机电设备的正常工作。而在这个过程中,电磁噪声传播的一类重要载体,就是产线设备中使用的各种电缆。它们中有些是噪声源,有些则是受扰对象。作为噪声源,电缆会像无线电发射天线那样,将噪声传播到周边的线路和设备;作为受扰对象,电缆会像接收天线一样,吸收来自其他辐射源的噪声干扰。

有关各类不同等级的噪声源可能影响的应用区域,大致可以参照上图列表。需要注意的是,大型动力开关,感应加热器,大型变压器...等都有可能发出较高水平的传导噪声和辐射干扰;而将信号电缆放置在动力线附近也是会将噪声耦合到信号线路上的。

要对抗电气线路上的电磁噪声干扰,一种非常重要的方式,就是使用带有屏蔽的线缆。

屏蔽电缆是由公共导电层包裹着一根或多根(相互绝缘的)导线的电缆。 这个公共导电层即是线缆的屏蔽层,它一般由铜(或其他金属,如铝)的编织股线、铜带的非编织螺旋绕线或导电聚合物层构成。

屏蔽层内部可以包裹信号或动力导线,通过两种方式起到防止电磁噪声干扰的作用。

一方面,它能够单纯的作为隔离层反射噪声能量;

另一方面,它可以吸收噪声并将其传导到大地(Ground),成为噪声信号的返回路径。

并且在任何一种情况下,电磁噪声都不会直接传递到线路导体。 尽管有时噪声能量仍然有可能穿过屏蔽层,但是通常已经有了很大程度的衰减,很难造成干扰影响。 因此,无论线缆本身是干扰源还是受扰对象,为其使用屏蔽都将是非常有效的。

电缆屏蔽会有不同的性能等级,提供不同程度的屏蔽效果。 同时决定屏蔽需求量的因素也有很多,例如:电气应用环境、成本(即:为什么要为更多的屏蔽支付高额成本?)、 以及线缆直径,重量和灵活性...等问题。

一般电缆的屏蔽会有两种类型:金属箔和编织网。

金属箔屏蔽层通常使用一层薄薄的铝,附着在如聚酯材料的载体上,以增加强度使其更坚固。金属箔能够为导线提供 100% 的包裹覆盖,有着比较好的屏蔽性能。但同时因为它很薄,使用起来比较困难,尤其是在将其接入连接器时。因此,通常情况下是不会将整个金属箔屏蔽层都接地的,而是会使用排扰线来连接屏蔽层。

编织网屏蔽通常由裸铜线或镀锡铜线编织而成。它为电磁噪声提供了一个低阻抗的接地路径,并且在使用连接器时可以通过压接或焊接的方式对接,十分方便。

编织网屏蔽并不能提供 100% 的覆盖率,因为他们在导线表面的覆盖总会有些细小的缝隙。根据编织的紧密程度,编织网通常能够提供 70% ~ 95%的覆盖率。不过一般来说,对于固定敷设的电缆,70% 的屏蔽覆盖就已经足够了。

事实上,尽管金属箔有着较高的屏蔽覆盖率,但这并不意味着它的屏蔽效果就更出色。原因在于,铜有着比铝更强的导电性,这使得编织网能够更好的传导电磁噪声。因此作为屏蔽层,编织网往往有着更好的屏蔽效果。当然,不难看出,它也在一定程度上增加了电缆的尺寸和成本。

在噪声环境比较恶劣的应用场合,经常需要使用多层屏蔽。最常见就是同时使用金属箔和编织网。例如:我们之前在「双绞线一文」中所说的,有时在多芯电缆中,每一对导线都会有金属箔屏蔽包裹,以防止对绞线之间的串扰,而同时整根电缆也会用金属箔或编织网或二者同时屏蔽。这种结合了金属箔和编织网的做法,可以让两种屏蔽技术相互支撑补偿,以一种技术的优势克服另一种的局限性,从而为电缆提供了超出任何单一技术所能提供的屏蔽性能。

在实际应用中,屏蔽的目的是为了将感应到的电磁噪声传导到大地(Ground),成为噪声信号的返回路径,这一点至关重要。不了解其含义可能意味着无效的屏蔽。电缆屏蔽及其端接必须能够为电磁噪声提供一条低阻抗的接地路径。未接地的屏蔽电缆将无法有效工作,而接地路径中的任何断点或过多的节点都会因为增加接地阻抗而降低线缆的屏蔽性能。

最后总结几点关于线缆屏蔽的实用建议:

1. 确保电缆具有足够的屏蔽以满足应用需求。在普通的电磁干扰环境中,单独使用金属箔应该就能够提供足够的噪声保护;而在比较恶劣的噪声环境中,就有必要考虑使用同时组合了编织网和金属箔的屏蔽电缆;

2. 基于特定的应用环境,使用合适的屏蔽电缆。例如:在使用过程中需要反复弯曲的电缆,通常会使用螺旋缠绕的屏蔽层而不光是编织网;同时,柔性电缆也往往会尽量避免仅使用金属箔屏蔽,因为电缆的连续弯曲有可能会撕裂箔层;

3. 确保电缆所连接设备的有效接地。尽可能使用大地,并检查接地点与设备之间的连接;电磁噪声的消除取决于其接地路径的低阻抗;

4. 很多设备和连接器的设计允许 360° 全方位的屏蔽连接,须确保其与电缆屏蔽层之间可靠接合。例如:许多常见的连接器会配有金属涂层塑料、铸锌或铝制外壳;应尽量选择与线缆屏蔽性能相匹配的连接器,避免因低标准而影响屏蔽效果或过高的规格要求而带来的成本增加。

本文来源:屏蔽电缆的作用是什么

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电路功能与优势

图1所示电路是一种完整的低成本模拟/模拟隔离器解决方案,它提供2500 V rms的隔离值(1分钟,符合UL 1577标准)。

该电路基于 AD7400A——一款二阶Σ-Δ型调制器,提供数字隔离的1位数据流输出。隔离模拟信号利用一个基于双通道、低噪声、轨到轨运算放大器 AD8646 的四阶有源滤波器恢复。 ADuM5000 用作隔离端的电源,两端完全隔离,系统仅使用一个电源。该电路具有0.05%的线性度,并能获益于调制器AD7400A和模拟滤波器提供的噪声整形。该电路的应用包括电机控制和电流监控,同时它还能有效替代基于光隔离器的隔离系统。

采用AD7400A的模拟隔离器(原理示意图:未显示去耦和所有连接)

图1. 采用AD7400A的模拟隔离器(原理示意图:未显示去耦和所有连接)

电路描述

图1显示的是电路的框图。模拟输入由Σ-Δ型调制器AD7400A以10 MSPS进行采样。22 Ω电阻和0.1 μF电容构成一个截止频率为145 kHz的差分输入降噪滤波器。AD7400A的输出为隔离的1位数据流。量化噪声由一个二阶Σ-Δ型调制器整形,将噪声移动到较高频率(参见教程MT-022)。

为了重构模拟输入信号,数据流之后应连接一个ADG849开关,并将其与3 V ADR443基准电压源相连,以便稳定MDAT的峰峰值输出。

随后,信号通过有源滤波器滤波,该滤波器阶数高于调制器阶数。为了更好地衰减噪声,使用一个四阶切比雪夫滤波器。当滤波器阶数相同时,相比于其它滤波器响应(巴特沃兹或贝塞尔),切比雪夫响应提供最为陡峭的滚降。该滤波器利用双通道、轨到轨输入和输出、低噪声、单电源运算放大器AD8646来实现。

ADuM5000是一款基于ADI公司iCoupler®技术的隔离式DC/DC转换器,用于为电路的隔离端(包含AD7400A)提供电源。isoPower®技术利用高频开关元件,通过芯片级变压器传输功率。

本电路必须构建在具有较大面积接地层的多层电路板上。为实现最佳性能,必须采用适当的布局、接地和去耦技术(请参考教程MT-031——“实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团”、教程MT-101——“去耦技术” 和ADuC7060 / ADuC7061)评估板布局布线。设计印刷电路板(PCB)布局布线时应特别小心,必须符合相关辐射标准以及两个隔离端之间的隔离要求。(参见应用笔记 AN-0971。)

为了避免过驱AD8646,输入信号应低于AD8646的电源电压(5 V)。AD7400A的输出为1和0的数据流,幅度等于AD7400A VDD2电源电压。因此,VDD2数字电源为线性稳压器 ADP121 提供的3.3 V电压。或者,如果VDD2使用5 V电源,则数字输出信号应经过衰减后才能连接到有源滤波器。无论何种情况,电源都应进行适当调节,因为最终的模拟输出与VDD2直接成正比。

图1所示电路的5 V电源由5 V线性稳压器ADP3301 提供,它接受5.5 V至12 V的输入电压。

模拟有源滤波器设计

低通滤波器的截止频率主要取决于电路所需的带宽。截止频率与噪声性能之间存在取舍关系,如果提高滤波器的截止频率,则噪声会增加。在本设计中尤其如此,因为Σ-Δ型调制器对噪声进行整形,将很大一部分移动到较高频率。本设计选择100kHz的截止频率。

对于给定的截止频率,滤波器的过渡带越小,则滤波器通过的噪声越少。在所有滤波器响应中(巴特沃兹、切比雪夫、贝塞尔等),本设计之所以选择切比雪夫响应,是因为在给定滤波器阶数下,它的过渡带较小,但代价是瞬态响应性能略差。

该滤波器是一个四阶滤波器,由两个采用Sallen-Key结构的二阶滤波器组成。该滤波器的设计使用了模拟滤波器向导和Ni Multisim工具。所有的参数包括:

滤波器类型=低通、切比雪夫,0.01dB纹波
阶数 = 4
Fc = 100 kHz,Sallen-Key(为清晰起见,采用更新格式)

除了反馈电阻降至22Ω外,全部使用程序生成的推荐值。

测量

AD7400A的增益为5.15,输出偏移电压为1.65 V(采用3.3 V电源供电时)。0 V的差分信号产生1和0的数字位流,1和0各占50%的时间。数字输出电源为3.3V,因此,滤波后会有1.65 V的直流偏移。在理想状态下,320 mV的差分输入生成全1的数据流,滤波后产生3.3 V直流输出。因此,AD7400A的有效增益为:

增益= (3.3 − 1.65)/0.32 = 5.15625

通过测量,实测偏移为1.641497 V,增益为5.165。系统的直流传递函数如图2所示。实测线性度为0.0465%。

系统直流传递函数

图2. 系统直流传递函数

图3显示无直流失调电压的输出电压与输入频率的关系。输入信号电压为40 mV p-p,可产生40 × 5.165 = 207 mV p-p的输出信号。注意,频率响应函数中约有10 mV的峰化,相当于大约0.42 dB。

该系统具有良好的噪声性能,1 kHz时的噪声密度为2.50 μV/√Hz,10 kHz时为1.52 μV/√Hz。

有关本电路笔记的完整设计支持包,请参阅 http://www.analog.com/CN0185-DesignSupport

40 mV p-p输入信号的电路频率响应

图3. 40 mV p-p输入信号的电路频率响应

常见变化

该电路可以用于隔离电压监控,也可用于需要监控分流电阻两端电压的电流检测应用。系统输入信号的要求参见AD7400A数据手册。

如果用ADuM6000代替ADuM5000,则整个电路的隔离额定值为5 kV。

如有需要,可用ADP1720或ADP7102线性稳压器代替ADP3301。

电路评估与测试

用+6 V电源使电路上电后,可以利用信号发生器和示波器轻松评估该电路。

设备要求(可以用同等设备代替)

需要以下设备:

* 多功能校准仪(直流源):Fluke 5700A
* 数字万用表:Agilent 3458A,8.5位
* 频谱分析仪:Agilent 4396B
* 函数发生器:Agilent 33250A
* +6 V电源

设置与测试

线性度测量设置的框图如图4所示。+6 V电源连接到EVAL-CN0185-EB1Z电源引脚。

直流输入电压利用Fluke 5700A产生,使用Agilent 3458A DVM测量输出。Fluke 5700A的直流输出以1 mV步进从1 mV提高到250mV,并记录数据。

用于测量线性度的CN-0185电路测试设置

图4. 用于测量线性度的CN-0185电路测试设置

为了测量频率响应,按照图5所示连接设备。首先将函数发生器33250A设置为0直流偏移的40 mV峰-峰值正弦波输出,然后利用频谱分析仪4396B扫描100 Hz至500 kHz的信号频率,并记录数据。

用于测量频率响应的CN-0185电路测试设置

图5. 用于测量频率响应的CN-0185电路测试设置

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多年来,工业,医疗和其他隔离系统的设计人员在实施安全隔离方面的选择有限:唯一合理的选择是光耦合器。如今,数字隔离器在性能,尺寸,成本,功效和集成方面具有优势。了解数字隔离器三个关键元件的性质和相互依赖性对于选择正确的数字隔离器非常重要。这些元素是绝缘材料,它们的结构和数据传输方法。

由于安全规定,设计人员采用隔离措施,或者减少接地环路等的噪声。电隔离确保数据传输,而无需电气连接或泄漏路径,否则可能会造成安全隐患。然而,隔离带来诸如延迟,功耗,成本和尺寸的限制。数字隔离器的目标是在满足安全要求的同时尽量减少招致的处罚。

光耦合器,传统的隔离器,将受到最大的惩罚。它们消耗高水平的功率,并将数据速率限制在1 Mbps以下。更高的功率效率和更高速度的光电耦合器可用,但施加更高的成本损失。

数十年前引入了数字隔离器来减少光耦合器的处罚。他们使用基于CMOS的电路,并提供显着的成本和功率节省,同时显着提高数据速率。它们由前面提到的元素来定义。绝缘材料决定了固有的隔离能力,并被选择来确保符合安全标准。选择结构和数据传输方法来克服引用的处罚。所有这三个要素必须一起工作来平衡设计目标,但是不能妥协和“平衡”的目标之一是能够满足安全规定。

绝缘材料
数字隔离器使用代工CMOS工艺,并且仅限于铸造厂中常用的材料。非标准材料使生产复杂化,导致可制造性差和成本增加。常见的绝缘材料包括聚合物,如聚酰亚胺(PI),可作为薄膜旋涂,以及二氧化硅(SiO 2)。两者都具有众所周知的绝缘性能,并且已经用于标准的半导体处理多年。聚合物已经成为许多光电耦合器的基础,使其成为高压绝缘体的历史。

安全标准通常规定一分钟耐压额定值(通常为2.5 kV rms至5 kV rms)和工作电压(通常为125 V rms至400 V rms)。一些标准还规定了更短的持续时间,更高的电压(例如,50μs的10kV峰值)作为增强绝缘的认证的一部分。如表1所示,基于聚合物/聚酰亚胺的隔离器具有最好的隔离性能。

表1.隔离属性

基于聚酰亚胺的数字隔离器与光耦合器类似,在典型的工作电压下寿命更长。基于SiO 2的隔离器对浪涌提供较弱的保护,防止在医疗和其他应用中使用。

每个电影的内在压力也不同。聚酰亚胺比SiO 2具有更低的应力,并且可以根据需要增加厚度。SiO 2厚度,因此隔离能力是有限的; 与厚的SiO 2层有关的应力,例如15μm的量级,可能导致在隔离器的使用寿命期间的加工或分层过程中破裂的晶片。基于聚酰亚胺的数字隔离器使用厚度为26μm的隔离层。

隔离器结构

与使用LED光的光耦合器相比,数字隔离器使用变压器或电容器来磁性或电容耦合隔离屏障上的数据。

如图1所示,变压器通过线圈产生脉冲电流,产生一个小的局部磁场,在另一个线圈中感应出电流。电流脉冲短1ns,所以平均电流很低。

图1.(a)具有较厚聚酰亚胺绝缘的变压器,其中电流脉冲产生磁场以在次级线圈上感应电流; (b)使用低电流电场耦合穿过隔离屏障的薄SiO 2绝缘的电容器。

变压器也是不同的,并提供优异的共模瞬态抗扰度,高达100 kV /μs(光耦合器通常约为15 kV /μs)。磁耦合对于变压器线圈之间的距离的敏感度也比对板间距离的电容耦合的依赖性要小。这样可以使变压器线圈之间的绝缘层更厚,从而提高隔离能力。结合低应力聚酰亚胺薄膜,使用聚酰亚胺与使用SiO 2的电容器的变压器可以实现高水平的隔离。

电容器也是单端的,对共模瞬变的敏感性更高。差分对电容可以补偿,但这会增加尺寸和成本。

除了整体性能之外,使用变压器还有另一个好处:它们允许集成隔离电源。ADI公司的 ISO电源®技术,集成了一个隔离式DC-DC转换器,数据隔离,以创建一个完整的隔离解决方案。毕竟,变压器是隔离式DC-DC转换器的关键元件。这种解决方案不适用于电容器或LED的隔离器。

数据传输方法

光电耦合器使用来自LED的光通过隔离屏障传输数据:LED打开时为逻辑高电平,而为逻辑低电平时关闭。当LED亮起时,光耦合器会烧毁电源,使得光耦合器在功耗不受关注的情况下是一个糟糕的选择。大多数光电耦合器将信号调理留在输入和/或输出到设计者,这并不总是最容易实现的。

数字隔离器使用更先进的电路来编码和解码数据,从而允许更快速的数据传输和处理复杂,双向接口如USB和我的能力2 C.

一种方法将上升沿和下降沿编码为驱动变压器的双脉冲或单脉冲(图2)。这些脉冲被解码回到次级侧的上升沿/下降沿。与光耦合器相比,这样可以将功耗降低10倍至100倍,因为不像光耦合器那样持续供电。可以包含刷新电路来定期更新直流电平。

图2.一种传输数据的方法将边缘编码为单脉冲或双脉冲。

另一种方法使用RF调制信号的方式与光耦合器使用光的方式大致相同。逻辑高信号导致连续的RF传输。这通常被称为“开关”方案。这种方案的好处是可以使隔离屏障的数据传输速度更快; 但是,抖动有时会成为问题。而且,开 - 关方法比基于脉冲的方法消耗更多的功率,因为​​逻辑高信号持续地消耗功率。采用基于脉冲的方法,可以将功耗降至1μW,这是其他方法无法实现的。

差分技术也可以用于共模抑制。但是,这些最好用于差动元件,如变压器。

选择合适的组合

数字隔离器提供了重要的,引人注目的 优于光电耦合器在尺寸,速度,功耗,易用性和可靠性方面。在数字隔离器的类别中,绝缘材料,结构和数据传输方法的不同组合区分不同的产品,使得一些或多或少适合特定的应用。如上所述,聚合物基材料提供最强大的隔离能力; 这种材料几乎可用于所有应用,但最严格的,如保健和重工业设备,将获得最大的优势。为了获得最稳固的隔离效果,聚酰亚胺的厚度可能会超过电容器的合理厚度。因此,基于电容器的隔离可能最适合于不需要安全隔离的功能隔离。在那些情况下,基于变压器的隔离可能是最有意义的,

虽然每个设计人员都会选择一个适合自己或他的应用的适当平衡性能的隔离器,但三个参数往往会突出:定时,功耗以及隔离。要评估不同的技术,请考虑下面的图表,该图表利用基于时间除以针对功耗绘制的隔离功能的品质因数。在这种情况下,我们选择使用浪涌耐受阈值(一种上升时间为2μs,下降时间为50μs的高压脉冲来确定加强绝缘的适用性)来测量隔离能力。功耗是1 Mbps数据速率下每个通道的最大功率,单位为mW; 我们选择1 Mbps作为代表率,因为大多数对功耗敏感的应用都以适中的数据速率运行。为了计时,我们研究了一个信号通过隔离屏障的总时间延迟。因此,这不仅包括传播延迟,还包括抖动和输出上升和下降时间。

图3.不同隔离器特性的组合导致不同的品质因数位置。一个方面仍然是明确的:光电耦合器滞后于数字隔离器。

当以这种方式绘制时,可以看到数字隔离器占用的性能前沿。光电耦合器远远落后于边界,而近来光耦合器的改进使其更接近性能前沿,但仍远远落后于数字隔离器。人们也可以看到,不同的技术在边界上也占据不同的位置,变压器/聚酰亚胺数字隔离器采用脉冲编码方法,功率效率低得多,开关键控方法显示出更好的时序性能。

这个图表隐藏着不同数字隔离器厂商如何在这个边界上一代一代地移动的微妙细节。ADI公司的第二代解决方案在一方面降低了功耗,另一方面降低了总时序延迟。这些改变是在没有改变隔离能力的情况 Cap1供应商只沿一个方向前进,并通过增加隔离能力来实现; 但是,这样做增加了总时间延迟。这似乎是由于增加SiO 2厚度以实现更好的隔离减少了传输数据所需的耦合; 这又会降低性能。

概要

当他们开发数字隔离技术时,ADI公司考虑了数字隔离的四个要素中的各种差异,重点放在隔离材料,隔离元件以及跨越隔离屏障传输数据的方法。他们确定了核心 我耦合器技术将基于聚酰亚胺绝缘和芯片尺寸变压器,因为这种组合提供了最大的灵活性,不仅可以集成其他功能,如隔离电源,还可以使用不同的方法传输数据。我们已经使用了近14年的基于脉冲的方法继续提供优异的功率效率和时序性能,但仍然有可能使用其他方法来获得它们自己的好处。这一切都可以在不影响隔离能力的情况下完成,而隔离能力首先是设计师使用隔离器的主要原因。

作者:大卫Krakauer

David Krakauer是ADI公司的i Coupler产品线的市场经理。

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隔离用户及敏感电子部件是电机控制系统的重要考虑事项。安全隔离用于保护用户免受有害电压影响,功能隔离则专门用来保护设备和器件。电机控制系统可能包含各种各样的隔离器件,例如:驱动电路中的隔离式栅极驱动器;检测电路中的隔离式ADC、放大器和传感器;以及通信电路中的隔离式SPI、RS-485、标准数字隔离器。无论是出于安全原因,还是为了优化性能,都要求精心选择这些器件。

虽然隔离是很重要的系统考虑,但它也存在缺点:会提高功耗,跨过隔离栅传输数据会产生延迟,而且会增加系统成本。系统设计师传统上求助于光隔离方案,多年来,它是系统隔离的当然选择。最近十年来,基于磁性(变压器传输)方法的数字隔离器提供了一种可行且在很多时候更优越的替代方案;从系统角度考虑,它还具备系统设计师可能尚未认识到的优点。

本文将讨论这两种隔离解决方案,重点论述磁隔离对延迟时序性能的改善,以及由此给电机控制应用在系统层面带来的好处。

隔离方法

光耦利用光作为主要传输方法,如图1所示。发送侧包括一个LED,高电平信号开启LED,低电平信号关闭LED。接收侧利用光电检测器将接收到的光信号转换回电信号。隔离由LED与光电检测器之间的塑封材料提供,但也可利用额外的隔离层(通常基于聚合物)予以增强。

图1. 光耦结构

光耦的最大缺点之一是:LED老化,会使传输特性漂移;设计人员必须考虑这一额外问题。LED老化导致时序性能随着时间和温度而漂移。因此,信号传输和上升/下降时间会受影响,使设计复杂化,尤其是考虑到本文后面要处理的问题。

光耦的性能扩展也是受限的。为了提高数据速率,必须克服光耦固有的寄生电容问题,该问题会导致功耗升高。寄生电容还会提供耦合机制,导致基于光耦的隔离器件的CMTI(共模瞬变抗扰度)性能劣于竞争方案。

磁隔离器(基于变压器)已大规模应用十多年,是光耦合器的有效替代方案。这类隔离器基于标准CMOS技术,采用磁传输原理,隔离层由聚酰亚胺或二氧化硅构成,如图2所示。低电平电流以脉冲方式通过线圈传输,产生一个磁场,磁场穿过隔离栅,在隔离栅另一侧的第二线圈中感生一个电流。由于采用标准CMOS结构,其在功耗和速度方面具有明显优势,而且不存在光耦合器相关的寿命偏差问题。此外,基于变压器的隔离器的CMTI性能优于基于光耦合器的隔离器。

磁性变压器结构

图2. 磁性变压器结构

基于变压器的隔离器还允许使用常规的信号处理模块(防止传输杂散输入)和高级传输编解码机制。这样就可以实现双向数据传输,使用不同编码方案来优化功耗与传输速率的关系,以及将重要信号更快速、更一致地传输到隔离栅另一端。

延迟特性比较

所有隔离器的一个重要但常常被轻视的特性是其传输延迟。此特性衡量信号(可以是驱动信号或故障检测信号)沿任一方向跨过隔离栅所需的时间。技术不同,传输延迟差别很大。通常提供的是典型延迟值,但系统设计师特别关注最大延迟,它是设计电机控制系统需要考虑的重要特性。表1给出了光耦合器和磁隔离栅极驱动器的传输延迟和延迟偏差值示例。

表1: 光耦合器和磁隔离器的典型延迟特性

如表1所示,磁隔离在最大延迟和延迟可重复性(偏差)方面优势明显。这样,电机控制设计人员对设计将更有信心,无需增加时序裕量以满足栅极驱动器特性。对于电机控制系统的性能和安全,这都有着非常重要的意义。

对电机控制系统的系统影响

图3显示了交流电机控制应用中采用的典型三相逆变器。该逆变器由直流母线供电,直流电源通常是通过二极管桥式整流器和容性/感性-容性滤波器直接从交流电源产生。在大部分工业应用中,直流母线电压在300 V至1000 V范围内。采用脉宽调制(PWM)方案,以5 kHz至10 kHz的典型频率切换功率晶体管T1至T6,从而在电机端子上产生可变电压、可变频率的三相正弦交流电压。

图3. 电机控制应用中的三相逆变器

PWM信号(如PWMaH和PWMaL)在电机控制器(一般用处理器和/或FPGA实现)中产生。这些信号一般是低压信号,与处理器共地。为了正确开启和关闭功率晶体管,逻辑电平信号的电压电平和电流驱动能力必须被放大, 另外还必须进行电平转换,从而以相关功率晶体管发射极为接地基准。根据处理器在系统中的位置,这些信号可能还需要安全绝缘。

栅极驱动器(如图3中的GDRVaL和GDRVaH)执行这种功能。每个栅极驱动器IC都需要一个以处理器地为基准的原边电源电压和一个以晶体管发射极为基准的副边电源。副边电源的电压电平必须能够开启功率晶体管(通常为15 V),并有足够的电流驱动能力来给晶体管栅极充电和放电。

逆变器死区时间

功率晶体管有一个有限的开关时间,因此,上桥和下桥晶体管之间的脉宽调制波形中必须插入一个死区时间,如图4所示。这是为了防止两个晶体管意外同时接通,引起高压直流母线短路,进而造成系统故障和/或损坏风险。死区时间的长度由两个因素决定:晶体管开关时间和栅极驱动器传输延迟失配(包括失配的任何漂移)。换言之,死区时间必须考虑PWM信号从处理器到上桥和下桥栅极驱动器之间的晶体管栅极的任何传输时间差异。

图4. 死区时间插补

死区时间会影响施加到电机的平均电压,尤其是在低速运转时。实际上,死区时间会带来以下近似恒定幅度的误差电压:

其中,VERROR为误差电压,tDEAD为死区时间,tON和tOFF为晶 体管开启和关闭延迟时间,TS为PWM开关周期,VDC为直流母线电压,VSAT为功率晶体管的导通状态压降,VD为二极管导通电压。

当一个相电流改变方向时,误差电压改变极性,因此,当线路电流过零时,电机线间电压发生阶跃变化。这会引起正弦基波电压的谐波,进而在电机中产生谐波电流。对于开环驱动采用的较大低阻抗电机,这是一个特别重要的问题,因为谐波电流可能很大,导致低速振动、扭矩纹波和谐波加热。

在以下条件下,死区时间对电机输出电压失真的影响最严重:

高直流母线电压
长死区时间
高开关频率
低速工作,特别是在控制算法未添加任何补偿的开环驱动中
低速工作很重要,因为正是在这种模式下,施加的电机电压在任何情况下都非常低,死区时间导致的误差电压可能是所施加电机电压的很大一部分。此外,误差电压导致的扭曲抖动的影响更有害,因为对系统惯性的滤波只有在较高速度下才可用。

在所有这些参数中,死区时间长度是唯一受隔离式栅极驱动器技术影响的参数。死区时间长度的一部分是由功率晶体管的开关延迟时间决定的,但其余部分与传播延迟失配有关。在这方面,光隔离器显然不如磁隔离技术。

应用示例

为了说明死区时间对电机电流失真的影响,下面给出了基于三相逆变的开环电机驱动的结果。逆变器栅极驱动器采用ADI公司的磁隔离器(ADuM4223ADuM4223), 直接驱动IR的IRG7PH46UDPBF 1200 V IGBT。直流母线电压为700 V。逆变器驱动开环V/f控制模式下的三相感应电机。利用阻性分压器和分流电阻,并结合隔离式∑–∆ 调制器(同样是来自ADI公司的AD7403),分别测量线电压和相电流。各调制器输出的单位数据流被送至控制处理器(ADI公司的ADSP-CM408)的sinc滤波器,数据在其中进行滤波和抽取后,产生电压和电流信号的精确表示。

sinc数字滤波器输出的线电压实测结果如图5所示。实际线电压为10 kHz的高开关频率波形,但它被数字滤波器滤除,以便显示我们感兴趣的低频部分。相应的电机相电流如图6 所示。

图5. 实测线间电机电压:(左)500 ns死区时间;(右)1 µs死区时间

图6. 实测电机电流:(左)500 ns死区时间;(右)1µs死区时间

ADuM4223栅极驱动器的传输延迟失配为12 ns,因此可以使用IGBT开关所需的绝对最短死区时间。对于IR IGBT,最短死区时间可设置为500 ns。从左图可看出,这种情况下的电压失真极小。同样,相电流也是很好的正弦波,因此扭矩纹波极小。右图显示死区时间提高到1 µs时的线电压和相电流。此值更能代表光耦合栅极驱动器的需求,因为其传播延迟失配和漂移更大。电压和电流的失真均有明显增加。这种情况使用的感应电机是相对较小的高阻抗电机。在更高功率的终端应用中,感应电机阻抗通常要低得多,导致电机电流失真和扭矩纹波增加。扭矩纹波在很多应用中都会产生有害影响,例如:电梯乘坐舒适度下降或机械系统中的轴承/联轴器磨损。

过流关断

现代栅极驱动器的另一个重要问题是处理器发出的关断命令能以多快的速度在IGBT上实现。这对于以下情况中的过流关断很重要:过流检测不是栅极驱动器本身的一部分,而是作为检测与滤波电路的一部分加以实现。这方面的另一个压力是更高效率IGBT的短路耐受时间缩短。对此,IGBT技术的趋势是从业界标准10µs缩短到5 µs甚至更短。如图7所示,过流检测电路通常需要数微秒时间来锁存故障;为了顺应总体发展趋势,必须采取措施来缩短这一检测时间。该路径中的另一主要因素是从处理器/FPGA输出到IGBT栅极(栅极驱动器)的传播延迟。同样,磁隔离器相对于光学器件有明显优势,原因是前者的传播延迟值非常小,通常在50 ns左右,不再是影响因素。相比之下,光耦合器的传播延迟在500 ns左右,占到总时序预算的很大一部分。

图7. 故障关断时序

电机控制应用的栅极驱动器关断时序如图8所示,其中处理器的关断命令跟在IGBT栅极发射极信号之后。从关断信号开始到IGBT栅极驱动信号接近0的总延迟仅有72 ns。

图8. 过流关断栅极驱动器时序

小结

随着人们更加关注系统性能、效率和安全,电机控制架构师在设计稳健系统时面临着日益复杂的挑战。基于光耦合器的栅极驱动器是传统选择,但基于变压器的解决方案不仅在功耗、速度、时间稳定性上更具优势,而且如本文所述,由于信号延迟缩短,其在系统性能和安全方面也有明显优势。这使得设计人员可以在防止上桥和下桥开关同时接通的同时,有把握地缩短死区时间,改善系统性能。此外,它还支持对系统命令和错误作出更快速的响应,这同样能增强系统可靠性并提高安全性。鉴于这些优势,基于变压器的隔离式栅极驱动器已成为电机控制系统设计的一个主要选择;强烈建议系统设计人员在设计下一个项目时,把器件延迟作为一项重要要求。

参考电路

Krakauer David,MS-2576技术文章,“平衡隔离器的主要因素以确保安全”,ADI公司,2014年。

Muñoz Alfredo R.和Thomas A. Lipo,“开环PWM-VSI驱动的 在线死区时间补偿技”,《IEEE电源电子会刊》,第14卷第4期,1999年7月。

NGTB15N60S1EG:IGBT—耐短路,ON Semiconductor。

作者

Dara O'Sullivan

Dara O'Sullivan是ADI公司自动化、能源与传感器业务部电机和电源控制团队(MPC)的高级系统应用工程师。其专长领域是交流电机控制应用的功率转换和控制。Dara拥有爱尔兰科克大学工程学士、工程硕士和博士学位。自2001年起,Dara便从事研究、咨询和工业领域的工业与可再生能源应用方面的工作。

Maurice Moroney

Maurice Moroney是ADI公司iCoupler®数字隔离器部营销经理,主攻电机控制、汽车和能源应用中的隔离式栅极驱动器和电压/电流检测领域。Maurice拥有爱尔兰利默里克大学电子工程学士学位和工商管理硕士学位。

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工业隔离状态简介

由于严格的稳定性要求,通道间隔离是许多应用(如天然气和石油工厂及发电厂)中模拟输入模块的常见需求。尤其对于热电偶/热电阻模块而言更是如此,它们的小信号易受噪声的影响且裸露检测元件可能接触到高共模电压。本文将概述用于模拟输入模块的易设计型高密度通道间隔离解决方案。随附的测
试结果表明,16通道、2.5 kV rms通道间隔离演示板可轻松通过EN55022 class B测试标准要求。

隔离拓扑和通道间隔离设计挑战

通常,过程控制输入采用组隔离或通道间隔离,参见图1。对于组隔离,多个输入通道组合在一起以共用一个隔离栅,包括电源隔离和信号隔离。与通道间隔离相比,这样可以节省成本,但限制了组内通道间的共模耐压差别,这意味着应尽量将这些通道全部放在同一区域中。通道间隔离(如图1右侧所示)总
方案编号:APM_PLC-AI_2016用于高端TC/RTD模块的16通道间隔离型模拟输入解决方案是有利于改进稳定性。话虽如此,每通道却需要更高的成本,因此工厂设计人员应仔细评估这一权衡。

关于通道与通道间隔离设计,主要的设计挑战是什么?

* 需要高电压隔离能力。需要同时考虑电源和数据隔离,隔离电压可超过2.5 kV。
* 需要考虑高通道密度的需求和有限空间的限制。传统的变压器封装太大,难以实现封装和PCB布局。
* 需要考虑高可靠性。关键部分的隔离器件通常需要UL/CSA认证,且定制变压器的成本很高。
* 需要高集成度且易于设计。

ADI最近推出了新一代isoPower®产品——ADuM5411,它于2016年7月发布,结合了我们最新的技术和改进型架构以同时提供数字信号隔离和电源隔离,从而可以解决上述挑战,向我们的客户提供更高集成度、稳定性、安全性和易用性。

 (a)组隔离和(b)通道间隔离

图1. (a)组隔离和(b)通道间隔离

详文请阅:用于高端TC/RTD模块的16通道间隔离型模拟输解决方案

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