MS-2511:集成信号和电源隔离提供鲁棒且紧凑的测量与控制

MS-2511:集成信号和电源隔离提供鲁棒且紧凑的测量与控制
技术文章
MS-2511
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isoPower:用微变压器实现信号和电源隔离
集成信号和电源隔离提供鲁棒
且紧凑的测量与控制
让我们详细研究一些isoPower器件,看看它们与传统
D C-D C方 案 有 何 区 别 。 图 1显 示 了 i so Power器 件
ADuM5010(提供最高150 mW隔离电源的集成DC-DC转
换器,采用20引脚SSOP封装)、一个DC-DC设计和一个
基于光耦合器的分立设计的尺寸对比。ADuM5010仅占
用90 mm²的板空间,其中包括4个表贴陶瓷电容,而总
共包括16个器件的分立设计则需要470 mm²的板空间,
比isoPower器件多5倍以上。DC-DC模块的尺寸变化不
定,但其厚度一般不适合表面贴装。SSOP封装的隔离
式DC-DC转换器可以利用双芯片集成实现,如图1b所
示。左边的芯片具备变压器切换电路,右边的芯片则具
备整流二极管和反馈控制器。左芯片上集成三个变压
器,上方较小的变压器提供反馈信号隔离,下方两个变
压器用于传输隔离电源。SSOP上还可以再放置两个芯
片 , 提 供 额 外 的 数 字 隔 离 通 道 , 如 图 1c所 示 。
ADuM521x isoPower器件是双通道隔离器,集成150 mW
DC-DC转换器。右上芯片上的两个变压器为两个数字
通道提供隔离。左上芯片和右上芯片均有编码和解码电
路,用于将数字信号传输到微变压器的另一端。为了将
电源传输到隔离栅另一端,这些微变压器以谐振方式高
频切换(大约120 MHz),从而实现高效率能量传递。能
量调节则通过低频PWM反馈信号(大约500 kHz)实现,该
信号控制高频谐振动作保持接通的占空比,如图2所
示。两个交叉耦合HVCMOS开关与一个中心抽头变压
器一起提供持续振荡,其使能或停止由反馈PWM信号
通过开关控制器控制。
作者:Baoxing Chen
鲁棒且精确的测量与控制对工业仪器仪表和过程控制应
用十分重要。为了防止接地环路影响测量精度,以及避
免瞬变电压永久性损坏仪表,诸如RTD或热电偶之类的
各种工业传感器一般都需要输入隔离。除了很小的目标
差分信号以外,这些传感器还可能承载显著的共模电位
或较大的电压瞬变,前者会降低数据采集精度,后者则
可能带来安全风险。类似地,为了安全且精确地操作液
压执行器、电磁阀或电机启动器等执行器,需要隔离式
模拟输出。除了要将模拟输入和输出与系统地隔离以
外,输入之间和输出之间也需要隔离,以便处理不同传
感器和执行器的不同共模电位,防止互相干扰。数字隔
离器通过取代体积较大且不精确的传统模拟隔离器和光
耦合器,已经成功提高了模拟系统性能,并且缩小了系
统尺寸。置于检测节点的高分辨率ADC将精密模拟检
测信号转换为数字流,然后利用高集成度多通道数字隔
离器,通过隔离栅传输至系统微控制器。同样,来自系
统微处理器的数字命令也是利用数字隔离器通过隔离栅
传输,然后利用高分辨率DAC转换为精确的模拟电流或
电压控制信号。数字隔离器消除了模拟隔离器或传统光
耦合器相关的信号失真和降级,但是,DAC与控制器件
的接口或ADC与传感器的接口需要隔离电源才能工
作。虽然可以利用分立式隔离DC-DC转换器从系统侧
提供隔离电源,但它们需要许多分立器件,体积较大且
难以设计。这些分立DC-DC转换器的输出也未得到很
好的调节,并且在低负载时(低功耗高分辨率ADC或
DAC就是如此),其效率极其低下。为实现鲁棒且紧凑
的模拟测量与控制系统,需要小型集成式隔离电源和数
字隔离。isoPower®是领先的工业数字隔离器iCoupler®技
术的扩展,可在超薄紧缩小型封装(SSOP)中提供隔离信
号和电源。
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图1. (a) 不同隔离电源方案的尺寸比较;(b) 150 mW全集成式DC-DC转换器ADuM5010透视;
(c) 集成DC-DC转换器的双通道隔离器ADuM521x透视
肖特基二极管在芯片2中实现,用于120 MHz的高效整
流和改进的II型控制器。为使上电平稳,芯片1中实现
了一个软启动电路。上电时,软启动电路提供占空比缓
慢提高的PWM信号,以便将输出电压缓慢充电到略低
于目标输出电压的预设电平。此时,反馈信号使能,并
从软启动输出接管对开关的控制。该软启动序列确保上
电时的输出过冲最小,这对于系统可靠性十分重要。
不同极性的脉冲转换为正确逻辑状态的输出。当输入状
态长时间不变时,为确保输出更新,还会定期发送刷新
脉冲到变压器的另一端:正脉冲表示逻辑高电平,负脉
冲表示逻辑低电平。差分接收器可以抑制共模瞬变事件
期间拾取的共模电压,实现了50 kV/µs以上的大共模瞬
变抑制性能。将32 µm厚聚酰亚胺层夹在初级线圈与次
级线圈之间,可以实现3.75 kV 1分钟的UL额定隔离。
isoPower变压器的横截面如图3所示。
为了将数据鲁棒地传输到隔离栅另一端,需要使用差分
编码和解码。上升沿编码为正极性的短脉冲,下降沿编
码为时间相同但极性为负的短脉冲。差分接收器将这些
图2. 使用微变压器的隔离电源传输原理图
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半设计为相位相反,使得来自某一半的磁通量与来自另
一半的磁通量抵消。虽然变压器的辐射可忽略不计,但
设计使用isoPower产品的PCB时必须谨慎。除了通过良
好的旁路将噪声约束在器件以内,还需要仔细设计PCB
的隔离岛,切勿形成有效的偶极子天线。isoPower器件
配合妥善设计的PCB使用可满足CISPR A类或B类标准。
测量与控制的信号和电源隔离需求
对于恶劣环境下的各种工业应用,为了安全可靠地测量
电流、电压、温度、压力、流速或其它参数,需要通过
隔离来消除接地环路,避免用户或设备直接接触危险电
压,因此隔离对于维护数据完整性和保障用户/设备安
全至关重要。除了信号隔离,还需要电源隔离来为
ADC或DAC提供偏置电压,以便与各种传感器接口。
将隔离器件(例如基于光耦合器的器件)塞进一个很小的
区域是非常困难的,因为存在许多模拟输入或输出,它
们不仅需要与背板隔离,模拟通道之间也需要隔离。集
成信号和电源隔离是为各种模拟I/O端口实现紧凑且鲁
棒的隔离的理想解决方案。
图3. isoPower变压器的横截面
上绕组和下绕组均有6 µm厚Au以实现高效电源传输。聚
酰亚胺具有非常好的抗高压瞬变性能,电涌保护能力高
于10 kV。此外,聚酰亚胺还具有明确的老化特性。在
1.2 kV到3 kV的各种电压下测量失效时间,其曲线如图4
-n
所示。基于典型的聚酰亚胺老化拟合模型L ~ ev ,400 V rms
时的寿命超过100年,足以满足许多工业应用的需求。
除了高压特性以外,工业应用还涉及到辐射等EMC要
求。isoPower变压器耦合紧密,直径只有几百微米,因
此变压器的辐射非常有限。isoPower变压器也采用s型配
置实现,如图5所示。在远场中,可以将变压器的每一
10000
1% Failure Time (Years)
1000
100
10
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Voltage (kVrms)
图4. isoPower产品的高压寿命
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3
3.5
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图5. isoPower变压器配置
传感器和执行器之间的隔离栅,右边较长的红色垂直虚
线表示系统与模拟I/O端口之间的隔离。对于不同过程
控 制 设 备 之 间 的 通 信 , 系 统 控 制 器 与 通 信 总 线 (如
RS-485、RS-232、CAN等)之间需要补充隔离,如图6中
图6是一个用于工业仪器仪表或过程控制设备的隔离信
号 和 电 源 方 案 示 例 。 一 个 isoPower器 件 , 例 如 集 成
150 mW隔离电源的双通道数字隔离器ADuM5211,就
能满足指定模拟输入通道的所有隔离需求。一个隔离数
据通道用于将系统时钟从微控制器发送到ADC,相反
方向的另一个数据通道将采集到的数据从传感器送回微
控制器。对于彼此需要隔离的多个传感器,可以使用多
个ADuM5211。类似地,一个isoPower器件,例如集成
150 mW隔离电源的双通道数字隔离器ADuM5210,就能
满足指定模拟输出通道的所有隔离需求。两个数据通道
用于将时钟和数字命令从微控制器发送DAC以控制执行
器。对于彼此需要隔离的多个执行器或模拟输出,可以
使用多个ADuM5210。图6中的红色水平虚线表示不同
的较短红色垂直虚线所示。同样,单个isoPower器件,
例如完全集成的带500 mW隔离电源的隔离式RS-485收发
器ADM2587,就足以为单台设备提供完整的总线接口
隔离。这里,ADM2587提供集成式RS-485收发器和三
个数字隔离通道,其中两个用于将“驱动”和“驱动使能”
信号从微控制器发送到总线,另外一个用于将接收到的
数据从总线发送到控制器。可以看到,集成信号和电源
隔离大大简化了工业设备的测量、控制和通信接口。
图6. 使用isoPower的完全隔离式工业测量与控制系统
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电池测量或测试设备也有类似的信号和电源隔离需求。
各电池单元的电压和电流需要连续监控以便维护电池寿
命,但整个串联电池组的总电压可能高达数百甚至数千
伏。为了与位于堆叠不同位置的不同电池组接口,电池
监控IC需要与系统控制器隔离,并且需要隔离电源以便
在电池发生故障时妥善关闭系统。
资源
ADuM5010 www.analog.com/ADuM5010
ADuM521x http://www.analog.com/ADuM521
ADuM5211 www.analog.com/ADuM5211
ADuM5210 www.analog.com/ADuM52120
ADuM5287 www.analog.com/ADM2587
结论
与基于光耦合器和分立变压器的解决方案相比,采用微
变压器和小型封装的集成信号与电源隔离方案可大幅简
化工业测量和过程控制系统的设计,显著缩小电路板空
间并降低成本。它能在恶劣工业环境下提供可靠且精确
的测量与控制。
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