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工业测量中如何应用数字隔离器
2021-06-27 来源: 贝博BB官网(中国)有限公司官网
工业环境中使用的测量设备往往需要进行隔离,以确保用户和系统的安全,并确保在高共模电压下获得准确的测量结果。 数字隔离器为光耦合器等旧技术提供了可靠且易于使用的替代方案。 使用数字隔离器,工程师可以优化隔离系统的设计以降低功耗并确保系统性能,而无需额外的设计余量来补偿缺失或不完整的器件规格。

下图显示了隔离测量的典型示例。 在高压燃料电池或电池组中,了解单个电池的电压有助于确保系统安全运行,同时最大限度地延长电池寿命。 在确定单个电池的电压时,我们必须在高达数百伏的共模电压下对其进行测量。 当使用热电偶测量载流导体的温度时,也会发生类似的情况。 在这个例子中,系统必须能够测量毫伏级信号分辨率,同时抑制高电平 60 Hz 共模噪声,并保护操作员免受任何危险电压的影响。 最初人们使用隔离放大器来解决这个问题,但随着测量带宽和分辨率的提高,这种解决方案已经过时了。 今天,执行此类测量的最准确、最经济和最有效的技术是隔离整个测量前端,并为系统的其余部分实施隔离的串行链路。 链路可以是本地总线(如SPI)或工业协议(如RS-485),以将测量数据远距离传输到控制器单元。
数字隔离器使用非光学方法跨隔离屏障发送数据。 例如,ADI 的隔离器使用微型变压器技术跨隔离栅发送脉冲,而不会产生与光耦合器相关的时间和温度下降效应。 这样,可以针对器件的整个工作温度范围发布保证的最小和最大功耗、传播延迟和脉冲失真规范。 也可以使用其他非光学技术,例如电容、射频 (RF) 和巨磁阻 (GMR) 耦合。

由于磁数字隔离器的大部分功率在从一种状态切换到另一种状态时消耗,因此功耗与工作频率成正比。 因此,处于空闲状态或非常低的切换速度的信道的功耗非常小。 一旦确定了应用的最大串行时钟速率,就可以设计电源以提供足够的电流来支持该速率。

因为ADI的数字隔离器采用的材料是聚酰亚胺绝缘材料,而且隔离栅上只有极低的寄生电容,数字隔离器的过压浪涌承受能力和共模抗干扰能力 以电压和磁场干扰形式出现的瞬变非常强烈。

当隔离测量系统使用高采样率时,用光耦隔离串行总线可能会更困难。 数字隔离器可以采用 4 通道设备的形式,保证速度高达 150 Mbps。

由于数字隔离器技术兼容标准 CMOS 工艺,因此集成附加功能以简化系统设计相对容易。 例如,传统的热电偶测量设备可能会使用多个光耦来实现低速SPI接口,并使用带有驱动器和稳压器的隔离变压器为隔离前端供电。 使用带有集成隔离电源的数字隔离器(如ADUM5401),整个隔离系统成为一个具有四个数据通道和隔离电源的单个集成电路。 与使用分立隔离器和隔离电源相比,这种方法提高了可靠性,节省了大量电路板空间,降低了成本。 如下所示: