数字隔离技术涉及的关键技术有哪些

发布时间:
2019/3/8 13:38:09
来源:
易胜博备用网址资本 百里冰
隔离器按照数字隔离技术分类,分为光电隔离器(光耦)、电感式隔离器(磁耦,数字隔离器)和电容隔离器(电容耦合,数字隔离器) 数字隔离技术常用于工业网络环境的现场总线级中。使用隔离电路的首要原因是为了消除噪声、保护器件(也可能是人)免受高电压的危害。随着工业网络对低成本、时间关键性以及鲁棒性[1]的多方面需求,基于光学、电感以及电容耦合技术的数字隔离解决方案应运而生。 推动工业网络不断发展的因素是低成本、高速度以及鲁棒性。然而这些改进因素不能以降低隔离等级作为代价。基于光学、电感以及电容耦合技术的数字隔离解决方案在不断发展中探寻着自己的发展方向。 这些通用数字隔离器均具有其各自的优点和缺点。以下几段内容将对各种不同技术进行介绍:

1、光耦合技术

光耦合技术是在透明绝缘隔离层(例如:空气间隙)上的光传输,即光线通过空隙等透明非传导屏障进行传播,以达到隔离目的。图1显示了一款数字隔离器的主要组件。该电流驱动器采用数字输入,并将信号转换为电流来驱动发光二极管 (LED)。输出缓冲器将光电探测器的电流输出转换为一个数字输出。 1:基本光耦合机制


         光耦合技术的主要优点是,光具有对外部电子或磁场内在的抗扰性,而且,光耦合技术允许使用恒定信息传输,可实现稳态信息的传输。
光耦合的不足之处在于速度慢、功耗大并且发光二极管 (LED)易受时间及温度的影响而老化。 一个光耦合器的最大信号速率取决于 LED 能够开启和关闭的速度。从当前可供使用的产品来看,最快的光耦合器是 HCPL-0723,其可以达到 50 Mbps 的信号速率。 从输入到输出的电流传输比 (CTR) 是光耦合器的一个重要特性,LED 一般会要求10mA 的输入电流,以用于高速数字传输。这种比率对用于驱动 LED 的电流和由光电晶体管产生的电流进行调节。随着时间的推移,LED 变得更为低效,同时要求更多的电流来产生相同等级的亮度以及相同等级的光电晶体管输出电流。在许多数字隔离器中,内部电路控制 LED 驱动电流,并且用户无法对逐渐下降的 CTR 进行补偿。LED 的优势减弱了,并且随着时间的推移隔离器不再像以前那样有效了。 与电感耦合一样,光耦合有较长的历史,长久以来一直用于工业网络,电气层接口的早期参考设计中通常包括光耦合器。

2、电感耦合技术

电感耦合技术使用两个线圈之间的变化磁场在一个隔离层上进行通信。最常见的例子就是变压器,其磁场大小取决于主级和次级绕组的线圈结构(匝数/单位长度)、磁芯的介电常数,以及电流振幅。图2显示了一款具有信号调节电路模块的变压器。 2:电感隔离

        电感耦合技术的优点是,可能存在的共模差异和差分传输特性。变压器的精心设计允许噪声和信号频率重叠,但是会呈现出噪声高共模阻抗和信号低差分阻抗,可以在不明显降低差模信号的情况下最小化变压器的共模噪声。另一个优点是,信号能量的转换效率极高,信号能量传输可以为近 100% 的效率,从而使低功耗隔离器成为可能。
电感耦合技术的主要缺点是对外部磁场(噪声)的磁化,易受外部磁场(噪声)的干扰。工业应用通常要求磁场隔离,例如:马达控制。数字变压器传输中另一个缺点是数据运行长度。一个信号转换器在某一频率和振幅范围内传输信号,并且其失真可以接受。需要数据运行长度限制或时钟编码来将该信号保持在可用变压器带宽内。采用电感耦合技术的通用数字隔离器要求信号处理随同传输低频率信号(1 0 长字符)的方法共同对数字信号进行传输和重新构建。NVE 公司/Avago(安华高)公司推出的 Isoloop™,以及 ADI(美国模拟器件公司)推出的 iCoupler™ 均使用了编码功能,并提供了支持从 DC 100 Mbps 运行范围的数字隔离解决方案。


ADuM1100 是 ADI 推出的 iCoupler™ 技术的一个例子。ADuM1100 使用一个基本的变压器来实现在一个隔离层上传输信息。这种 Isoloop™ 技术(例如:HCPL-0900)使用一个如图3所示的电阻器网络来替换次级线圈。该电阻器由GMR(巨磁电阻)材料组成,这样当磁场发挥作用时该电阻会发生变化。电路感应电阻的变化,并满足其条件,以用于输出。这种技术被首次引入市场时就切实地提高了 AC 性能,超过了现有光耦合器的性能。现在,随着 ADI 最近推出了更多的数字隔离器以及 TI ISO72x 系列器件的推出,这些 Isoloop™ 器件的性能已经被超越。
3: GMR 结构图
如同电容耦合一样,电感耦合也存在带宽限制。与电容耦合相比,电感耦合有较长的应用历史,但通常仅用于电源或模拟隔离器,而非数字器件。

3、电容耦合技术

电容耦合技术是在隔离层上采用一个不断变化的电场传输信息。各电容器极板之间的材料是一个电介质隔离器,并形成隔离层。该极板尺寸、极板之间的间隔和电介质材料等都决定着电气性能。


4:电容耦合

使用一个电容隔离层的好处是,在尺寸大小和能量传输方面的高效率,使低功耗和低成本集成隔离电路成为可能;对磁场的抗扰度,使在饱和或高密度磁场环境下运行成为可能。 电容耦合技术的缺点是其没有拆分信号和噪声,并且信号共用相同的传输通道,这一点与变压器不同。这就要求信号频率要大大高于噪声预期频率,这样隔离层电容就呈现出对信号的低阻抗,以及对噪声的高阻抗。使用了电感耦合以后,电容耦合就不能传输稳定状态信号,同时还存在带宽限制,并需要时钟编码数据。
最近十年,设计者还都在使用光电耦合器来满足隔离需求,但数字隔离技术已经取得了很大进展,数字隔离器使用电感(磁性)耦合技术或电容耦合技术来传输讯号。现在,基于CMOS[2]的数字隔离技术已成为系统中隔离任务的首选技术。



[1] 鲁棒是Robust的音译,也就是健壮和强壮的意思。它是在异常和危险情况下系统生存的关键。比如说,计算机软件在输入错误、磁盘故障、网络过载或有意攻击情况下,能否不死机、不崩溃,就是该软件的鲁棒性。所谓“鲁棒性”,是指控制系统在一定(结构,大小)的参数摄动下,维持其它某些性能的特性。根据对性能的不同定义,可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。 [2] CMOS是Complementary Metal Oxide Semiconductor(互补金属氧化物半导体)的缩写。它是指制造大规模集成电路芯片用的一种技术或用这种技术制造出来的芯片,是电脑主板上的一块可读写的RAM芯片。