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高速數字隔離比較.doc

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?概要本應用報告概述了高速數字電路中電子隔離的必要性、實施以及特性,討論了在一個隔離層上進行光、磁(電感)和電氣(電容)信號傳輸的優點和缺點,并對 ISO72x 系列數字隔離器中使用的電容耦合技術作了特別的重點闡述。1 引言隔離就是將一部分與其他部分中的非理想影響分離開來。在電子電路中,電介質通過阻斷直流電 (dc) 實現電路隔離。那么被隔離的電路如何在一個更大的電氣系統中運行呢?這個問題的答案便是本應用報告的主題。隨著德州儀器 (TI) 和其他供應商推出的產品數量不斷增加,隔離信號的傳輸選項也隨之增加,從而使設計人員在產品選擇上變得更加復雜。本報告闡述了隔離器的重要特性,并說明了各產品之間的差異和相似之處。在對電路隔離的必要性進行回顧之后,我們對電介質信號傳輸的三種方法以及模擬對數字隔離器進行了討論,并對每一類型數字隔離器的實例進行了描述和對比。2 電路隔離的必要性隔離電路的主要原因是保護電路不受危險電壓和電流的損壞。在圖 1 的醫療應用實例中,即使是小量的 AC 電流也有可能造成致命的傷害,因此需要采用一個隔離層來保護病人。隔離還可對敏感電路進行保護,使其免于受到工業應用中出現的高壓損壞。圖 2 的工業實例僅為一個高壓測量法。將傳感器與實際高壓相隔離使得對低壓電路的測量成為可能。圖 1、電源和病人之間可能的電路通路圖 2、高壓和低壓電路之間的隔離保護原理是將高電壓電位 (potential) 隔離,其可能出現在各系統或電路中,如圖 3 中的線纜應用所示,其中的長距離可以將一個驅動器和接收機隔離。經過如此的長距離,接地可能處在不同電壓中。通過隔離,在隔離器而非敏感電路中形成電壓差。圖 3、設備之間的接地電壓差如圖 4 所示,通過相對于其他電路組件而言的高阻抗,隔離中斷了由電路通路形成的環路。通過中斷該環路,噪聲電壓出現在隔離層上,而非出現在接收機或更為敏感的組件上。噪聲電壓的高電平可以由外部電流或電壓源(例如:電感馬達和閃電 (lightning))耦合。圖 4、各隔離中斷節點之間的接地環路3 電路隔離器在允許通過電磁或光鏈路進行模擬或數字信號傳輸的同時,電路隔離器阻礙了各電路之間的低頻電流。數字隔離器傳輸二進制信號,模擬隔離器則在隔離層上 傳輸連續信號。在模擬和數字隔離器中,工作和峰值額定電壓以及共模瞬態抗擾度均為這種隔離層的重要特性。當對數字信號進行隔離時,隔離電路的這些重要特性 為輸入和輸出邏輯電壓電平、信號速率、數據運行長度以及自動防護響應。傳統上而言,為滿足特殊需求時,變壓器、電容器或光電二極管晶體管及分立電路以輸入和輸出信號為條件。這種方法是有效的,但卻不能將其從一種應用轉 移至另一種應用中。盡管這樣可能會保持模擬隔離器的情況,但市場中已經出現了新一代數字隔離器,其使用創新電路在超過 100 Mbps 直流電信號速率的條件下對標準數字信號進行隔離。這些通用數字隔離器均具有其各自的優點和缺點。以下幾段內容將對各種不同技術進行介紹,并將具體產品同 TI 推出的新型 ISO72x 系列產品進行對比。3.1 光耦合技術光耦合技術是在透明絕緣隔離層(例如:空氣間隙)上的光傳輸,以達到隔離目的。圖 5 顯示了一款數字隔離器的主要組件。該電流驅動器采用數字輸入,并將信號轉換為電流來驅動發光二極管 (LED)。輸出緩沖器將光電探測器的電流輸出轉換為一個數字輸出。圖 5、基本光耦合機制光耦合技術的主要優點是,光具有對外部電子或磁場內在的抗擾性,而且,光耦合技術允許使用恒定信息傳輸。光耦合器的不足之處主要體現在速度限制、功耗以及 LED 老化上。一個光耦合器的最大信號速率取決于 LED 能夠開啟和關閉的速度。從當前可供使用的產品來看,最快的光耦合器是 HCPL-0723,其可以達到 50 Mbps 的信號速率。從輸入到輸出的電流傳輸比 (CTR) 是光耦合器的一個重要特性,LED 一般會要求10mA 的輸入電流,以用于高速數字傳輸。這種比率對用于驅動 LED 的電流和由光電晶體管產生的電流進行調節。隨著時間的推移,LED 變得更為低效,同時要求更多的電流來產生相同等級的亮度以及相同等級的光電晶體管輸出電流。在許多數字隔離器中,內部電路控制 LED 驅動電流,并且用戶無法對逐漸下降的 CTR 進行補償。LED 的優勢減弱了,并且隨著時間的推移隔離器不再像以前那樣有效了。3.2 電感耦合技術電感耦合技術使用兩個線圈之間的變化磁場在一個隔離層上進行通信。最常見的例子就是變壓器,其磁場大小取決于主級和次級繞組的線圈結構(匝數/單位長度)、磁芯的介電常數,以及電流振幅。圖 6 顯示了一款具有信號調節電路模塊的變壓器。圖 6、電感隔離電感耦合技術的優點是,可能存在的共模差異和差分傳輸特性。變壓器的精心設計允許噪聲和信號頻率重疊,但是會呈現出噪聲高共模阻抗和信號低差分阻抗。另一個優點是,信號能量傳輸可以為近 100% 的效率,從而使低功耗隔離器成為可能。電感耦合技術的主要缺點是對外部磁場(噪聲)的磁化。工業應用通常要求磁場隔離,例如:馬達控制。數字變壓器傳輸中另一個缺點是數據運行長度。一個 信號轉換器在某一頻率和振幅范圍內傳輸信號,并且其失真可以接受。需要數據運行長度限制或時鐘編碼來將該信號保持在可用變壓器帶寬內。采用電感耦合技術的 通用數字隔離器要求信號處理隨同傳輸低頻率信號(1 或 0 長字符)的方法共同對數字信號進行傳輸和重新構建。NVE 公司/Avago(安華高)公司推出的 Isoloop?,以及 ADI(美國模擬器件公司)推出的 iCoupler? 均使用了編碼功能,并提供了支持從 DC 到 100 Mbps 運行范圍的數字隔離解決方案。ADuM1100 是 ADI 推出的 iCoupler? 技術的一個例子。ADuM1100 使用一個基本的變壓器來實現在一個隔離層上傳輸信息。這種 Isoloop? 技術(例如:HCPL-0900)使用一個如圖 7 所示的電阻器網絡來替換次級線圈。該電阻器由GMR(巨磁電阻)材料組成,這樣當磁場發揮作用時該電阻會發生變化。電路感應電阻的變化,并滿足其條件,以 用于輸出。這種技術被首次引入市場時就切實地提高了 AC 性能,超過了現有光耦合器的性能?,F在,隨著 ADI 最近推出了更多的數字隔離器以及 TI ISO72x 系列器件的推出,這些 Isoloop? 器件的性能已經被超越。圖 7、GMR 結構圖3.3 電容耦合技術電容耦合技術是在隔離層上采用一個不斷變化的電場傳輸信息。各電容器極板之間的材料是一個電介質隔離器,并形成隔離層。該極板尺寸、極板之間的間隔和電介質材料等都決定著電氣性能。圖 8、電容耦合使用一個電容隔離層的好處是,在尺寸大小和能量傳輸方面的高效率,以及對磁場的抗擾度。前者使低功耗和低成本集成隔離電路成為可能;而后者使在飽和或高密度磁場環境下運行成為可能。電容耦合技術的缺點是其沒有差分信號和噪聲,并且信號共用相同的傳輸通道,這一點與變壓器不同。這就要求信號頻率要大大高于噪聲預期頻率,這樣隔離層電容就呈現出信號的低阻抗,。省略部分。表 2 瞬態抗擾度性能器件所采用的技術s)m瞬態抗擾度 (kV/ISO721電容瞬態抗擾度25ADuM1100電容瞬態抗擾度25HCPL-0900電容瞬態抗擾度15HCPL-0721HCPL-0723光瞬態抗擾度103.6 自動防護數據線電路和數字隔離器需要注意的一點就是輸入信號損耗的輸出狀態。輸入損耗可能出現在線纜斷開或直接從隔離器輸入端去除電源。自動防護是指在輸入 損耗狀態下一個決定性的或已知的輸出狀態。ISO72x 以后沒有接收到一個脈沖,那么該輸出被設置為一個高狀態。 sm系列使用一個周期脈沖來確定輸入結構是否有電,并且是否正在工作。如果隔離器的輸出端在4 ADI 推出的 ADum1100 也在 IC 的輸出部分集成了一個自動防護電路。安華高科技推出的光解決方案(HCPL-0721 及–0723)沒有提及自動防護,而電感 GMR 解決方案(HCPL-0900)明確地描述了在電源排序期間輸出的不確定性質。3.7 功耗除了隔離層上信號傳輸的效率之外,輸入和輸出調節電路的設計同功耗的相關性最大。如表 3 所示,與電感或電容實例相比,光耦合器的功耗會更高。表 3 靜態電源電流器件所采用的耦合技術Vcc1 和 Vcc2 (V)Icc1 (mA)Icc2 (mA)功耗 (mW)ISO721電容耦合511160 3.30.5621.5ADuM1100磁耦合50.80.064.3 3.30.30.041.2HCPL-0900磁耦合50.018630 3.30.01413.2HCPL-0721光耦合僅為 5 10 (1)995HCPL-0723光耦合僅為 5 10 (1)17.5 (2)137.5(1) 10 mA 為邏輯低輸入狀態。當該邏輯輸入狀態為高時,電流消耗下降至 3mA。(2) 17.5 mA 為邏輯低輸入狀態。當該邏輯輸入狀態為高時,電流消耗下降至 16.5 mA。3.8 可靠性故障前平均工作時間 (MTTF) 是半導體設備可靠性的標準測量方法。對于數字隔離器而言,這種測量表示集成電路和隔離機制的可靠性。表 4 顯示了一款光、電感和電容數字隔離器的 MTTF。與電感及光解決方案相比,ISO721 非??煽?。表 4 MTTF 可靠性測量 典型值,60% 信心典型值,90% 信心器件所采用的耦合技術環境溫度 (℃)MTTF(小時/故障)FIT(故障/109 小時)MTTF(小時/故障)FIT(故障/109 小時)ISO721電容耦合1251,246,889802504,4081983HCPL-0900電容耦合125288,1183471114,6548722HCPL-0721光耦合125174,617572769,48714,391ADuM1100 可靠性數據表沒有明確地說明 MTTF,但是其提供了可靠性測試的結果。表 5 顯示了 ISO721 和 ADuM1100 可靠性測試的參數。表 5 原始可靠性數據器件所采用的耦合技術結溫 (℃)時長 (小時)樣本數量不合格品ISO721電容耦合150 < Tj < 1751000344(3 次抽樣:116,116,112)0ADuM1100電容耦合150 < Tj < 175500231(從 3 次抽樣中取 77)03.9 外部磁場抗擾度圖 12 對比了 ADuM1100 和 ISO72x(沒有找到 HCPL-0900 的數據)的磁場抗擾度。相對來說盡管這兩個實例均對磁場有一定的抗擾度,但是 ISO72x 提供了更大的裕度。如前面所述,光耦合隔離層電路對外部磁場具有內在的磁化抗擾度。圖 12、對外部磁場的敏感度4 結論噪聲降低和噪聲保護使得隔離器在那些隔離器中斷接地環路并將接地電壓差隔離的電子電路中得到廣泛使用。設計人員現在擁有許多用來進行數字信號隔離的 選擇,包括 TI 推出的 ISO72x 系列,其在信號速率、電介質擊穿電壓、瞬態抗擾度、功耗、磁場抗擾度以及可靠性等重要特性方面均表現不俗。表 6 對本報告中所討論實例的這些特性進行了總結。表 6 不同數字隔離器的參數器件所采用的技術Vcc (V)信號速率 (Mbps)UL1577 (VRMS)s)m瞬態抗擾度 (kV/功耗 (mW)磁場抗擾度可靠性 (MTTF),60% 信心(小時/故障)ISO721電容耦合3.3 或 515025002560+1.25MADuM1100電感耦合51002500254.3    3.3502500251.2  HCPL-0900電感耦合510025001530 288k  3.310025001513.2 288kHCPL-0721光耦合52537501095++175kHCPL-0723光耦合550375010137.5++ 注: iCoupler 為美國模擬器件公司的商標。          Isoloop 為 Nonvolative 電子公司的商標。5 參考書目1、《電子系統中的降噪技術第二版》,作者:H. W. Ott 2、《電子兼容性設計人員指南》,作者:D. Girke, B. Kimmel3、《HCPL-0721 產品說明書》,安華高科技4、《HCPL-0723 產品說明書》,安華高科技5、《HCPL-0900 產品說明書》,安華高科技6、《光學耦合器輸入驅動電路》,AN3001 仙童應用手冊7、《ADuM1100 產品說明書修訂版 E》,美國模擬器件公司8、《ISO72x 產品說明書》,TI (SLLS629) 9、《ISO72x 數字隔離器磁場抗擾度》TI 應用報告 (SLLA181)10、《傳感器》,1999 年 1 月版,《隔離器件的系統設計人員指南》,作者:P. Pickering11、《40ns 傳播延遲 CMOS 光學耦合器可靠性產品說明書》,2002 年 7 月版,安捷倫科技(安華高科技)12、《安捷倫 HCPL-0900/0930/0931 高速數字光學隔離器可靠性產品說明書》,2005 年 5 月版,安捷倫科技(安華高科技)13、《ADuM1100 Fab 傳輸、可靠性報告》,2002 年 12 月,美國模擬器件公司
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