- 光耦合器與數(shù)字隔離元件的比較
- 安全考量與設(shè)計(jì)
- 速度更快的隔離技術(shù)
- 高隔離電壓的耐壓值
圖1：隔離式模擬信號(hào)擷取
如圖2所示，音頻、視頻和馬達(dá)控制等許多其它系統(tǒng)也會(huì)使用隔離元件，只不過(guò)它們通常是用隔離元件將接地回路減至最短以增強(qiáng)系統(tǒng)資料傳輸?shù)耐暾浴＿@些系統(tǒng)多半使用8或16位元高解析度(高傳真音頻系統(tǒng)使用24位元)和100ksps到數(shù)個(gè)Msps產(chǎn)出的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。設(shè)計(jì)人員則會(huì)根據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)的品質(zhì)要求和預(yù)算限制來(lái)選擇這些模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。
舉例來(lái)說(shuō)，典型音頻系統(tǒng)的DSP必須從光碟讀取數(shù)字內(nèi)容，然后處理這些資訊以便加入適當(dāng)音效(2、4或8聲道音頻)，最后再將處理完成的位元串流送到音頻數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(圖1的濾波器/解調(diào)器)。數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器輸出的模擬信號(hào)接著會(huì)送到揚(yáng)聲器，重新產(chǎn)生使用者想聽(tīng)的聲音。如前所述，許多音頻系統(tǒng)(尤其是24位元高傳真系統(tǒng))喜歡將DSP電路的接地面與電源(揚(yáng)聲器)接地面隔離。這項(xiàng)技術(shù)是用來(lái)將接地回路的拾取信號(hào)減至最少，進(jìn)而降低背景噪音和嗡嗡聲。
圖2：模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器與處理器之間的隔離控制范例
音頻與視頻系統(tǒng)也需要高速和延遲時(shí)間最小的隔離資料傳輸以確保原始音頻或視頻內(nèi)容能夠忠實(shí)再生。音頻系統(tǒng)通常使用48ksps模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，視頻系統(tǒng)則需要資料速率更高的轉(zhuǎn)換器–它們多半是速率1Msps到10Msps的資料轉(zhuǎn)換器。我們需要140Mbps隔離元件才能將序列編碼的14位元、10Msps資料串流傳送通過(guò)隔離層，這只有現(xiàn)代數(shù)字隔離元件才能做到。
光耦合器與數(shù)字隔離元件的比較
光耦合器和數(shù)字隔離元件都能用于隔離和提供一條跨越隔離層的通信鏈路。這兩種技術(shù)都有其各自優(yōu)點(diǎn)。
光耦合器
光耦合器是能夠跨越隔離層傳輸信號(hào)的一種裝置，主要由光發(fā)射器和光偵測(cè)器組成(參考圖3)。這兩種元件通常會(huì)整合到同一個(gè)封裝，但它們之間除了光束之外不會(huì)有任何電氣或?qū)嶓w連接。光發(fā)射器大都是發(fā)光二極管，光偵測(cè)器的種類(lèi)比較多，但多半由光電二極管或光電晶體擔(dān)任。
圖3：典型的光耦合器連結(jié)電路
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光耦合器多年來(lái)都是本質(zhì)安全型系統(tǒng)(intrinsicallysafesystem)的主要隔離元件。模擬光耦合器可將模擬信號(hào)傳送通過(guò)隔離層，這些光耦合器只要傳輸速率在100kbps以下就具有成本相對(duì)較低的優(yōu)勢(shì)。不幸的是，光耦合器會(huì)佔(zhàn)用很大的空間(每個(gè)封裝通常只能提供一個(gè)通道，還需要多顆離散元件支援)，資料產(chǎn)出也相當(dāng)有限(最多僅數(shù)十個(gè)Mbps)。更糟的是，光耦合器需要多顆離散零件與它搭配，其效能還會(huì)隨著環(huán)境溫度的增加而下降。
隨著系統(tǒng)溫度升高，光耦合器的驅(qū)動(dòng)電流需求在許多情形下會(huì)增加一倍，這是因?yàn)殡娏鱾魉捅?CTR，代表輸入信號(hào)傳送到輸出端的比值)會(huì)隨著溫度從25℃升高至100℃而減少六成。這會(huì)增加光耦合器驅(qū)動(dòng)電流和系統(tǒng)散熱需求。這種溫度變化在馬達(dá)控制應(yīng)用中極為常見(jiàn)。光耦合器雖然受到許多限制，但它們通常都能提供3kV的電壓隔離能力，耗電量則只有數(shù)百毫瓦。
圖4：射頻偶合器概要圖
數(shù)字隔離元件提供單向、高靈敏度、穩(wěn)定和可重復(fù)的切換點(diǎn)，它會(huì)使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS晶片級(jí)技術(shù)制造內(nèi)部變壓器以便利用氧化硅提供電氣隔離。射頻耦合器高達(dá)150Mbps的峰值資料速率比傳統(tǒng)光耦合器超過(guò)10倍以上。另外，射頻耦合器采用的CMOS技術(shù)還能繼續(xù)升級(jí)以支援未來(lái)更高資料產(chǎn)出。
射頻耦合器的暫態(tài)耐受性超過(guò)30kV/μs，光耦合器只有10kv/μs。它們還提供2500VRMS的電氣隔離能力。射頻耦合器的制程參數(shù)比較不容易受到制程效應(yīng)影響，故對(duì)溫度變動(dòng)的抵抗能力也優(yōu)于光耦合器，許多射頻耦合器的操作溫度最高都能達(dá)到125℃。相較于光耦合器，射頻耦合器的最大優(yōu)點(diǎn)在于體積更精巧。它們通常使用每個(gè)通道僅需很小晶粒面積的方式制造，許多產(chǎn)品甚至還採(cǎi)用SOIC封裝技術(shù)，這使得每個(gè)封裝都能提供多個(gè)通道。射頻耦合器的缺點(diǎn)是操作范圍相當(dāng)有限，這使它們?cè)诟唠妷寒a(chǎn)品的應(yīng)用受到極大限制。射頻耦合器通常只能使用5V電壓操作。圖5顯示數(shù)字隔離元件對(duì)于電路板面積的影響。
圖5：光耦合器與數(shù)字隔離元件的布局比較
表1：光耦合器與數(shù)字隔離元件的比較
安全考量
這類(lèi)應(yīng)用(尤其是需要本質(zhì)安全的應(yīng)用)多數(shù)都需要2500VRMS的隔離能力才能保護(hù)使用者不受電擊。舉例來(lái)說(shuō)，220-240V應(yīng)用就需要兩倍保護(hù)能力以確保作業(yè)員安全。為了提供兩倍的隔離保護(hù)，終端系統(tǒng)在安全超低電壓(SELV，電壓<30VRMS)和危險(xiǎn)電壓(電壓>30VRMS)之間的8毫米隔離邊界范圍內(nèi)不能有任何銅線路通過(guò)。這個(gè)邊界區(qū)域應(yīng)採(cǎi)用焊阻等均勻覆層，跨越這個(gè)邊界的任何裝置至少必須提供2500VRMS的隔離能力。除此之外，終端設(shè)備認(rèn)證經(jīng)常會(huì)包含兩種產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)，分別是測(cè)試與量測(cè)設(shè)備的IEC61010-1以及資訊科技設(shè)備的IEC60950-1標(biāo)準(zhǔn)。
為減少終端產(chǎn)品通過(guò)IEC61010-1和60950-1認(rèn)證所需的時(shí)間與成本，隔離元件通常會(huì)先接受CSA國(guó)際驗(yàn)證部(CSAInternational)UnderwriterLaboratories的ComponentPrograms以及CertificationInstitute的VDETesting認(rèn)證。這類(lèi)零件認(rèn)證程序多半極為嚴(yán)格，它們通常包含JEDEC型樣認(rèn)證以及由獨(dú)立測(cè)試機(jī)構(gòu)執(zhí)行60秒額定隔離電壓的耐壓測(cè)試(hi-pottesting)。完成初步認(rèn)證后，認(rèn)證機(jī)構(gòu)還會(huì)到廠商的生產(chǎn)廠房進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核查，他們會(huì)讓隔離元件在額定隔離電壓下接受1秒的生產(chǎn)耐壓測(cè)試以確保符合標(biāo)準(zhǔn)要求。常見(jiàn)的零件認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)包括：UL1577、CSA#5A和VDE60747-5-2。
數(shù)字控制系統(tǒng)需要速度更快的隔離技術(shù)。然而正如本文所述，目前要在各種音頻、視頻和工業(yè)系統(tǒng)中實(shí)作高速隔離層卻會(huì)在頻寬方面遇到許多瓶頸。設(shè)計(jì)人員在發(fā)展本質(zhì)安全型系統(tǒng)(intrinsicallysafesystem)時(shí)可利用兩種架構(gòu)解決隔離元件造成的瓶頸問(wèn)題。在所有耦合器中，唯有新出現(xiàn)的硅晶隔離元件技術(shù)才能解決隔離資料產(chǎn)出的問(wèn)題。總而言之，數(shù)字隔離元件技術(shù)提供最低成本、最小延遲時(shí)間、最高位元速率和最大整合度的隔離路徑。這項(xiàng)新出現(xiàn)的可擴(kuò)充技術(shù)克服了使用隔離模擬資料傳輸時(shí)所須面對(duì)的數(shù)字障礙。
