信号和电源隔离的有效设计技术!

　　如今，电子产品设计师比以往任何时候都更面临着一系列共同的目标：实现更高的吞吐量、更高的分辨率、更高效的系统和缩短上市时间。在工业自动化、医疗电子或电信系统等领域，通常需要电隔离多个信号，以使子系统能够共享数据或控制信号，而不允许噪声或高压干扰系统的完整性和安全。

　　隔离信号不足以提供真正的噪声和高压的真正隔离——电源也需要隔离。设计一个孤立的电源通常需要专门的技能和经验。它需要花费宝贵的时间和多次迭代来完成它。

　　信号隔离基础

　　隔离信号是提供以下设计关键功能的必要条件：

　　电压隔离提供了一个介电屏障，在需要更高功率水平的系统中，它可以作为一个绝缘体来对抗高电压。

　　在不同电压轨道下运行的电路之间实现无噪声数据传输是一个常见的挑战。尽管有许多非隔离的电平移位器可用来规避这个问题，但使用隔离器提供了几个可靠的优点。隔离器是最无噪声和最健壮的解决方案，它们可以防止寄生路径可能会无意中打开或关闭设备。

　　噪音消除：隔离产品将电路的接地电流（返回路径）限制在屏障的一侧，为另一侧的敏感测量提供了无噪声的环境。

　　系统注意事项

　　为了确保实现了真正的隔离，电路设计人员必须消除从一个电路（图1中的电路A）到另一个需要隔离的电路（图1中的电路B）的所有可能的耦合路径。因此，在隔离信号时，隔离电源也同样重要。对于一个电路设计者来说，隔离信号的挑战确实是双重的：提供安全、可靠和准确的信号隔离以及功率隔离。有多种针对信号隔离的解决方案可以满足设计者的需求——基于数据速率能力、抖动限制、噪声豁免问题、高电压能力、符合各种隔离组件安全标准等。然而，对于许多只需要一瓦特左右的隔离电力的应用程序，还没有现成的或容易实现的电力隔离解决方案。

　　应用程序示例

　　工厂自动化系统依赖于高效和可靠的实时分布式网络来监控和控制复杂的制造过程。在这些系统中使用的一个典型的和简化的层次结构如图6所示。顶部控制室的人机界面连接到中间控制器层，最后连接到物理层，传感器和驱动器作为电机驱动单元或由PLC（可编程逻辑控制器）控制的机器的一部分。

　　物理层连接工艺模块中的传感器和执行器，并穿过工厂层或装置。如图2所示，基于can的总线与各种电机控制单元通信，而基于rs-485的总线（propic总线）与工厂底层的各种机器通信。这些物理层通常用于工业自动化，因为它们即使在嘈杂的环境中也非常健壮，并支持在可能覆盖数百平方米的工厂地板上所需的长距离、多点通信。这些总线有多个节点，它们通过CAN或RS-485收发器连接到总线。隔离这些接口对于保护高压、高电磁（EM）噪声和网络内的大地面电位差至关重要。

　　图3显示了与处理器隔离的RS-485收发器节点的详细图。隔离的电源方案称为隔离直流直流转换器块。开发人员很少有易于部署的高性能解决方案、孤立的电源解决方案。设计师经常需要自己设计从头开始为隔离器的二次侧和隔离侧的RS-485收发器提供隔离电源。

　　图3中的收发器是一个半双工设备，其接收和传输线路连接在一起。它通过图3中标记为A和B的差动I/Os与RS-485总线进行通信。收发器通过其单端数字I/O标记Rx（接收器）和Tx（发射器）以及控制发射器的EN（启用引脚）信号向处理器提供接口。

　　该收发器通常有2到4个数字信号，需要快速和准确的数字隔离，并需要0.5W到1W的功率，这必须由一个具有以下特性的专用隔离源提供：

　　l紧凑型解决方案：根据特定的应用，空间可能是溢价的，一般来说，较小的BOM总是更的制造性、可靠性和成本。

　　l高效率：重要的是要有一个紧凑的、高效的解决方案，以便使热量保持在最低限度，并能保持绿色能源标准。

　　l低EMI：对于敏感的测量，保持整个系统噪声的最低限度是至关重要的。为了微调发射频谱到一个特定的用例，最好有一个可编程的频率选项，它允许用户选择DC/DC转换器的切换频率。

　　l安全特点：在安全最重要的工业环境中，建议设备采用软启动选项，以避免涌入电流、电流限制能力和热检测，并在热量过大的情况下自动关闭。

　　l多重隔离通道：最后，该解决方案需要支持多个隔离通道，至少具有2.5kVrms的分级隔离能力，以满足安全标准。即使在高噪声的环境中，隔离器也需要具有良好的信号完整性。

　　先进光半导体由南方先进联合日本归国华侨杨振林博士团队合资成立，以南方先进为主要投资方、杨博士团队为技术核心的一家专业从事光电器件、光耦合器、光耦继电器等光电集成电路以及光电驱动等产品，研发团队涵盖设计、制造、销售和服务的高新技术企业，先进光半导体拥有先进的光电器件全自动生产线，具有年产8000万只光电光耦器件的生产能力。现阶段先进光半导体的光耦继电器、光耦合器等主要产品用于：蓄电系统．智能电表．自动检测设备．电信设备．测量仪器．医疗设备．通信设备．PC端．安防监控．O/A设备．PLC控制器．I/O控制板等，依托于光半导体综合的设计技术和芯片制造技术优势，先进光半导体期望在有广阔发展前景的光电控制领域深耕，逐步提升产品的技术附加值，扩充技术含量更高的产品线。

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