魯棒且精確的測量與控制對工業(yè)儀器儀表和過程控制應用十分重要。為了防止接地環(huán)路影響測量精度，以及避免瞬變電壓永久性損壞儀表，諸如RTD或熱電偶之類的各種工業(yè)傳感器一般都需要輸入隔離。除了很小的目標差分信號以外，這些傳感器還可能承載顯著的共模電位或較大的電壓瞬變，前者會降低數(shù)據(jù)采集精度，后者則可能帶來安全風險。

類似地，為了安全且精確地操作液壓執(zhí)行器、電磁閥或電機啟動器等執(zhí)行器，需要隔離式模擬輸出。除了要將模擬輸入和輸出與系統(tǒng)地隔離以外，輸入之間和輸出之間也需要隔離，以便處理不同傳感器和執(zhí)行器的不同共模電位，防止互相干擾。數(shù)字隔離器通過取代體積較大且不精確的傳統(tǒng)模擬隔離器和光耦合器，已經(jīng)成功提高了模擬系統(tǒng)性能，并且縮小了系統(tǒng)尺寸。置于檢測節(jié)點的高分辨率ADC將精密模擬檢測信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字流，然后利用高集成度多通道數(shù)字隔離器，通過隔離柵傳輸至系統(tǒng)微控制器。同樣，來自系統(tǒng)微處理器的數(shù)字命令也是利用數(shù)字隔離器通過隔離柵傳輸，然后利用高分辨率DAC轉(zhuǎn)換為精確的模擬電流或電壓控制信號。數(shù)字隔離器消除了模擬隔離器或傳統(tǒng)光耦合器相關(guān)的信號失真和降級，但是，DAC與控制器件的接口或ADC與傳感器的接口需要隔離電源才能工作。

雖然可以利用分立式隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器從系統(tǒng)側(cè)提供隔離電源，但它們需要許多分立器件，體積較大且難以設(shè)計。這些分立DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出也未得到很好的調(diào)節(jié)，并且在低負載時(低功耗高分辨率ADC或DAC就是如此)，其效率極其低下。為實現(xiàn)魯棒且緊湊的模擬測量與控制系統(tǒng)，需要小型集成式隔離電源和數(shù)字隔離。isoPower?是領(lǐng)先的工業(yè)數(shù)字隔離器iCoupler?技術(shù)的擴展，可在超薄緊縮小型封裝(SSOP)中提供隔離信號和電源。

isoPower：用微變壓器實現(xiàn)信號和電源隔離讓我們詳細研究一些isoPower器件，看看它們與傳統(tǒng)DC-DC方案有何區(qū)別。圖 1顯示了 isoPower器 件ADuM5010(提供最高150 mW隔離電源的集成DC-DC轉(zhuǎn)
換器，采用20引腳SSOP封裝)、一個DC-DC設(shè)計和一個基于光耦合器的分立設(shè)計的尺寸對比。ADuM5010僅占用90 mm?的板空間，其中包括4個表貼陶瓷電容，而總共包括16個器件的分立設(shè)計則需要470 mm?的板空間，比isoPower器件多5倍以上。DC-DC模塊的尺寸變化不定，但其厚度一般不適合表面貼裝。

SSOP封裝的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器可以利用雙芯片集成實現(xiàn)，如圖1b所示。左邊的芯片具備變壓器切換電路，右邊的芯片則具備整流二極管和反饋控制器。左芯片上集成三個變壓器，上方較小的變壓器提供反饋信號隔離，下方兩個變壓器用于傳輸隔離電源。SSOP上還可以再放置兩個芯片，提供額外的數(shù)字隔離通道，如圖 1c所示。ADuM521x isoPower器件是雙通道隔離器，集成150 mW DC-DC轉(zhuǎn)換器。右上芯片上的兩個變壓器為兩個數(shù)字通道提供隔離。

左上芯片和右上芯片均有編碼和解碼電路，用于將數(shù)字信號傳輸?shù)轿⒆儔浩鞯牧硪欢?。為了將電源傳輸?shù)礁綦x柵另一端，這些微變壓器以諧振方式高頻切換(大約120 MHz)，從而實現(xiàn)高效率能量傳遞。能量調(diào)節(jié)則通過低頻PWM反饋信號(大約500 kHz)實現(xiàn)，該信號控制高頻諧振動作保持接通的占空比，如圖2所示。兩個交叉耦合HVCMOS開關(guān)與一個中心抽頭變壓器一起提供持續(xù)振蕩，其使能或停止由反饋PWM信號通過開關(guān)控制器控制。

圖1. (a) 不同隔離電源方案的尺寸比較；(b) 150 mW全集成式DC-DC轉(zhuǎn)換器ADuM5010透視；(c) 集成DC-DC轉(zhuǎn)換器的雙通道隔離器ADuM521x透視

圖2. 使用微變壓器的隔離電源傳輸原理圖

肖特基二極管在芯片2中實現(xiàn)，用于120 MHz的高效整流和改進的II型控制器。為使上電平穩(wěn)，芯片1中實現(xiàn)了一個軟啟動電路。上電時，軟啟動電路提供占空比緩慢提高的PWM信號，以便將輸出電壓緩慢充電到略低于目標輸出電壓的預設(shè)電平。此時，反饋信號使能，并從軟啟動輸出接管對開關(guān)的控制。該軟啟動序列確保上電時的輸出過沖最小，這對于系統(tǒng)可靠性十分要。為了將數(shù)據(jù)魯棒地傳輸?shù)礁綦x柵另一端，需要使用差分編碼和解碼。上升沿編碼為正極性的短脈沖，下降沿編碼為時間相同但極性為負的短脈沖。差分接收器將這些不同極性的脈沖轉(zhuǎn)換為正確邏輯狀態(tài)的輸出。當輸入狀態(tài)長時間不變時，為確保輸出更新，還會定期發(fā)送刷新脈沖到變壓器的另一端：正脈沖表示邏輯高電平，負脈沖表示邏輯低電平。差分接收器可以抑制共模瞬變事件期間拾取的共模電壓，實現(xiàn)了50 kV/?s以上的大共模瞬變抑制性能。將32 ?m厚聚酰亞胺層夾在初級線圈與次級線圈之間，可以實現(xiàn)3.75 kV 1分鐘的UL額定隔離。isoPower變壓器的橫截面如圖3所示。

圖3. isoPower變壓器的橫截面?

上繞組和下繞組均有6 ?m厚Au以實現(xiàn)高效電源傳輸。聚酰亞胺具有非常好的抗高壓瞬變性能，電涌保護能力高于10 kV。此外，聚酰亞胺還具有明確的老化特性。在1.2 kV到3 kV的各種電壓下測量失效時間，其曲線如圖4所示?；诘湫偷木埘啺防匣瘮M合模型L ~ ev-n，400 V rms時的壽命超過100年，足以滿足許多工業(yè)應用的需求。除了高壓特性以外，工業(yè)應用還涉及到輻射等EMC要求。isoPower變壓器耦合緊密，直徑只有幾百微米，因此變壓器的輻射非常有限。isoPower變壓器也采用s型配置實現(xiàn)，如圖5所示。在遠場中，可以將變壓器的每一半設(shè)計為相位相反，使得來自某一半的磁通量與來自另一半的磁通量抵消。雖然變壓器的輻射可忽略不計，但設(shè)計使用isoPower產(chǎn)品的PCB時必須謹慎。除了通過良好的旁路將噪聲約束在器件以內(nèi)，還需要仔細設(shè)計PCB的隔離島，切勿形成有效的偶極子天線。isoPower器件配合妥善設(shè)計的PCB使用可滿足CISPR A類或B類標準。

測量與控制的信號和電源隔離需求

對于惡劣環(huán)境下的各種工業(yè)應用，為了安全可靠地測量電流、電壓、溫度、壓力、流速或其它參數(shù)，需要通過隔離來消除接地環(huán)路，避免用戶或設(shè)備直接接觸危險電壓，因此隔離對于維護數(shù)據(jù)完整性和保障用戶/設(shè)備安全至關(guān)重要。除了信號隔離，還需要電源隔離來為ADC或DAC提供偏置電壓，以便與各種傳感器接口。將隔離器件(例如基于光耦合器的器件)塞進一個很小的區(qū)域是非常困難的，因為存在許多模擬輸入或輸出，它們不僅需要與背板隔離，模擬通道之間也需要隔離。集成信號和電源隔離是為各種模擬I/O端口實現(xiàn)緊湊且魯棒的隔離的理想解決方案。

圖4. isoPower產(chǎn)品的高壓壽命

圖5. isoPower變壓器配置

圖6是一個用于工業(yè)儀器儀表或過程控制設(shè)備的隔離信號和電源方案示例。一個isoPower器件，例如集成150 mW隔離電源的雙通道數(shù)字隔離器ADuM5211，就能滿足指定模擬輸入通道的所有隔離需求。一個隔離數(shù)據(jù)通道用于將系統(tǒng)時鐘從微控制器發(fā)送到ADC，相反方向的另一個數(shù)據(jù)通道將采集到的數(shù)據(jù)從傳感器送回微控制器。對于彼此需要隔離的多個傳感器，可以使用多個ADuM5211。類似地，一個isoPower器件例如集成150 mW隔離電源的雙通道數(shù)字隔離器ADuM5210，就能滿足指定模擬輸出通道的所有隔離需求。

兩個數(shù)據(jù)通道用于將時鐘和數(shù)字命令從微控制器發(fā)送DAC以控制執(zhí)行器。對于彼此需要隔離的多個執(zhí)行器或模擬輸出，可以使用多個ADuM5210。圖6中的紅色水平虛線表示不同傳感器和執(zhí)行器之間的隔離柵，右邊較長的紅色垂直虛線表示系統(tǒng)與模擬I/O端口之間的隔離。對于不同過程控制設(shè)備之間的通信，系統(tǒng)控制器與通信總線(如RS-485、RS-232、CAN等)之間需要補充隔離，如圖6中的較短紅色垂直虛線所示。同樣，單個isoPower器件，例如完全集成的帶500 mW隔離電源的隔離式RS-485收發(fā)器ADM2587，就足以為單臺設(shè)備提供完整的總線接口隔離。

這里，ADM2587提供集成式RS-485收發(fā)器和三個數(shù)字隔離通道，其中兩個用于將“驅(qū)動”和“驅(qū)動使能”信號從微控制器發(fā)送到總線，另外一個用于將接收到的數(shù)據(jù)從總線發(fā)送到控制器?？梢钥吹?，集成信號和電源隔離大大簡化了工業(yè)設(shè)備的測量、控制和通信接口。

圖6. 使用isoPower的完全隔離式工業(yè)測量與控制系統(tǒng)?

電池測量或測試設(shè)備也有類似的信號和電源隔離需求。各電池單元的電壓和電流需要連續(xù)監(jiān)控以便維護電池壽命，但整個串聯(lián)電池組的總電壓可能高達數(shù)百甚至數(shù)千伏。為了與位于堆疊不同位置的不同電池組接口，電池監(jiān)控IC需要與系統(tǒng)控制器隔離，并且需要隔離電源以便在電池發(fā)生故障時妥善關(guān)閉系統(tǒng)。

結(jié)論

與基于光耦合器和分立變壓器的解決方案相比，采用微變壓器和小型封裝的集成信號與電源隔離方案可大幅簡化工業(yè)測量和過程控制系統(tǒng)的設(shè)計，顯著縮小電路板空間并降低成本。它能在惡劣工業(yè)環(huán)境下提供可靠且精確的測量與控制。