解读高速数字电路中电子隔离应用技巧

本应用报告概述了高速数字电路中电子隔离的必要性、实施以及特性，讨论了在一个隔离层上进行光、磁(电感)和电气(电容)信号传输的优点和缺点，并对ISO72x系列数字隔离器中使用的电容耦合技术作了特别的重点阐述。

1. 引言

隔离就是将一部分与其他部分中的非理想影响分离开来。在电子电路中，电介质通过阻断直流电(DC)实现电路隔离。那么被隔离的电路如何在一个更大的电气系统中运行呢？这个问题的答案便是本应用报告的主题。

随着德州仪器(TI)和其他供应商推出的产品数量不断增加，隔离信号的传输选项也随之增加，从而使设计人员在产品选择上变得更加复杂。本报告阐述了隔离器的重要特性，并说明了各产品之间的差异和相似之处。

在对电路隔离的必要性进行回顾之后，我们对电介质信号传输的三种方法以及模拟对数字隔离器进行了讨论，并对每一类型数字隔离器的实例进行了描述和对比。

2. 电路隔离的必要性

隔离电路的主要原因是保护电路不受危险电压和电流的损坏。在图1的医疗应用实例中，即使是小量的AC电流也有可能造成致命的伤害，因此需要采用一个隔离层来保护病人。隔离还可对敏感电路进行保护，使其免于受到工业应用中出现的高压损坏。图2的工业实例仅为一个高压测量法。将传感器与实际高压相隔离使得对低压电路的测量成为可能。



                          图1：电源和病人之间可能的电路通路。



                            图2：高压和低压电路之间的隔离。

保护原理是将高电压电位(potential)隔离，其可能出现在各系统或电路中，如图3中的线缆应用所示，其中的长距离可以将一个驱动器和接收机隔离。经过如此的长距离，接地可能处在不同电压中。通过隔离，在隔离器而非敏感电路中形成电压差。



                                 图3：设备之间的接地电压差。

如图4所示，通过相对于其他电路组件而言的高阻抗，隔离中断了由电路通路形成的环路。通过中断该环路，噪声电压出现在隔离层上，而非出现在接收机或更为敏感的组件上。噪声电压的高电平可以由外部电流或电压源(例如：电感马达和闪电(lightning))耦合。



                                图4：各隔离中断节点之间的接地环路。

3. 电路隔离器

在允许通过电磁或光链路进行模拟或数字信号传输的同时，电路隔离器阻碍了各电路之间的低频电流。数字隔离器传输二进制信号，模拟隔离器则在隔离层上传输连续信号。在模拟和数字隔离器中，工作和峰值额定电压以及共模瞬态抗扰度均为这种隔离层的重要特性。当对数字信号进行隔离时，隔离电路的这些重要特性为输入和输出逻辑电压电平、信号速率、数据运行长度以及自动防护响应。

传统上而言，为满足特殊需求时，变压器、电容器或光电二极管晶体管及分立电路以输入和输出信号为条件。这种方法是有效的，但却不能将其从一种应用转移至另一种应用中。尽管这样可能会保持模拟隔离器的情况，但市场中已经出现了新一代数字隔离器，其使用创新电路在超过100Mbps直流电信号速率的条件下对标准数字信号进行隔离。这些通用数字隔离器均具有其各自的优点和缺点。以下几段内容将对各种不同技术进行介绍，并将具体产品同TI推出的新型ISO72x系列产品进行对比。

3.1 光耦合技术

光耦合技术是在透明绝缘隔离层(例如：空气间隙)上的光传输，以达到隔离目的。图5显示了一款数字隔离器的主要组件。该电流驱动器采用数字输入，并将信号转换为电流来驱动发光二极管(LED)。输出缓冲器将光电探测器的电流输出转换为一个数字输出。



                                   图5：基本光耦合机制。

光耦合技术的主要优点是，光具有对外部电子或磁场内在的抗扰性，而且，光耦合技术允许使用恒定信息传输。光耦合器的不足之处主要体现在速度限制、功耗以及LED老化上。

一个光耦合器的最大信号速率取决于LED能够开启和关闭的速度。从当前可供使用的产品来看，最快的光耦合器是HCPL-0723，其可以达到50Mbps的信号速率。

从输入到输出的电流传输比(CTR)是光耦合器的一个重要特性，LED一般会要求10mA的输入电流，以用于高速数字传输。这种比率对用于驱动LED的电流和由光电晶体管产生的电流进行调节。随着时间的推移，LED变得更为低效，同时要求更多的电流来产生相同等级的亮度以及相同等级的光电晶体管输出电流。在许多数字隔离器中，内部电路控制LED驱动电流，并且用户无法对逐渐下降的CTR进行补偿。LED的优势减弱了，并且随着时间的推移隔离器不再像以前那样有效了。