数字隔离元件应用介绍

工厂环境不仅吵杂，经常还有危险性。然而为了确保控制系统及其作业员的安全，我们仍须取得温度、压力、流速和气体浓度等重模拟资讯。如图1所示，多种调变技术可用来将模拟信号编码，然后再穿越隔离层传送出去。编码信号通过隔离层后，就由滤波器或解调器根据它来重建模拟信号。这类系统可直接驱动安全关机电路，并在某个参数超出预设临界值时自动关闭系统。反应时间对于这些系统很重要，它通常是由隔离元件的延迟时间所决定。
　

图1：隔离式模拟信号撷取
　

如图2所示，音频、视频和马达控制等许多其它系统也会使用隔离元件，只不过它们通常是用隔离元件将接地回路减至最短以增强系统资料传输的完整性。这些系统多半使用8或16位元高解析度 (高传真音频系统使用24位元) 和100 ksps到数个Msps产出的模拟数字转换器和数字模拟转换器。设计人员则会根据目标系统的品质要求和预算限制来选择这些模拟数字转换器和数字模拟转换器。举例来说，典型音频系统的DSP必须从光碟读取数字内容，然后处理这些资讯以便加入适当音效 (2、4或8声道音频)，最后再将处理完成的位元串流送到音频数字模拟转换器 (图1的滤波器/解调器)。数字模拟转换器输出的模拟信号接着会送到扬声器，重新产生使用者想听的声音。如前所述，许多音频系统 (尤其是24位元高传真系统) 喜欢将DSP电路的接地面与电源 (扬声器) 接地面隔离。这项技术是用来将接地回路的拾取信号减至最少，进而降低背景噪音和嗡嗡声。
　

图2：模拟数字转换器与处理器之间的隔离控制范例
　

音频与视频系统也需要高速和延迟时间最小的隔离资料传输以确保原始音频或视频内容能够忠实再生。音频系统通常使用48ksps模拟数字转换器，视频系统则需要资料速率更高的转换器 – 它们多半是速率1Msps到10Msps的资料转换器。我们需要140Mbps隔离元件才能将序列编码的14位元、10Msps资料串流传送通过隔离层，这只有现代数字隔离元件才能做到。

光耦合器与数字隔离元件的比较
光耦合器和数字隔离元件都能用于隔离和提供一条跨越隔离层的通信链路。这两种技术都有其各自优点。
光耦合器
光耦合器是能够跨越隔离层传输信号的一种装置，主要由光发射器和光侦测器组成 (参考图3)。这两种元件通常会整合到同一个封装，但它们之间除了光束之外不会有任何电气或实体连接。光发射器大都是发光二极管，光侦测器的种类比较多，但多半由光电二极管或光电晶体担任。
　

图3：典型的光耦合器连结电路
　

光耦合器多年来都是本质安全型系统 (intrinsically safe system) 的主要隔离元件。模拟光耦合器可将模拟信号传送通过隔离层，这些光耦合器只要传输速率在100kbps以下就具有成本相对较低的优势。不幸的是，光耦合器会佔用很大的空间 (每个封装通常只能提供一个通道，还需要多颗离散元件支援)，资料产出也相当有限 (最多仅数十个Mbps)。更糟的是，光耦合器需要多颗离散零件与它搭配，其效能还会随着环境温度的增加而下降。

随着系统温度升高，光耦合器的驱动电流需求在许多情形下会增加一倍，这是因为电流传送比 (CTR，代表输入信号传送到输出端的比值) 会随着温度从25℃升高至100℃而减少六成。这会增加光耦合器驱动电流和系统散热需求。这种温度变化在马达控制应用中极为常见。光耦合器虽然受到许多限制，但它们通常都能提供3kV的电压隔离能力，耗电量则只有数百毫瓦。
　

图4：射频偶合器概要图
　

数字隔离元件提供单向、高灵敏度、稳定和可重复的切换点，它会使用标准CMOS晶片级技术制造内部变压器以便利用氧化硅提供电气隔离。射频耦合器高达150Mbps的峰值资料速率比传统光耦合器超过10倍以上。另外，射频耦合器采用的CMOS技术还能继续升级以支援未来更高资料产出。

射频耦合器的暂态耐受性超过30kV/μs，光耦合器只有10kv/μs。它们还提供2500VRMS的电气隔离能力。射频耦合器的制程参数比较不容易受到制程效应影响，故对温度变动的抵抗能力也优于光耦合器，许多射频耦合器的操作温度最高都能达到125℃。相较于光耦合器，射频耦合器的最大优点在于体积更精巧。它们通常使用每个通道仅需很小晶粒面积的方式制造，许多产品甚至还採用SOIC封装技术，这使得每个封装都能提供多个通道。射频耦合器的缺点是操作范围相当有限，这使它们在高电压产品的应用受到极大限制。射频耦合器通常只能使用5V电压操作。图5显示数字隔离元件对于电路板面积的影响。
　

图5：光耦合器与数字隔离元件的布局比较
　

表1：光耦合器与数字隔离元件的比较
　

安全考量
这类应用 (尤其是需要本质安全的应用) 多数都需要2500VRMS的隔离能力才能保护使用者不受电击。举例来说，220-240V应用就需要两倍保护能力以确保作业员安全。为了提供两倍的隔离保护，终端系统在安全超低电压 (SELV，电压 < 30VRMS) 和危险电压 (电压 > 30VRMS) 之间的8毫米隔离边界范围内不能有任何铜线路通过。这个边界区域应採用焊阻等均匀覆层，跨越这个边界的任何装置至少必须提供2500VRMS的隔离能力。除此之外，终端设备认证经常会包含两种产品安全标准，分别是测试与量测设备的IEC61010-1以及资讯科技设备的IEC60950-1标准。

为减少终端产品通过IEC61010-1和60950-1认证所需的时间与成本，隔离元件通常会先接受CSA国际验证部 (CSA International) Underwriter Laboratories的Component Programs以及Certification Institute的VDE Testing认证。这类零件认证程序多半极为严格，它们通常包含JEDEC型样认证以及由独立测试机构执行60秒额定隔离电压的耐压测试 (hi-pot testing)。完成初步认证后，认证机构还会到厂商的生产厂房进行现场核查，他们会让隔离元件在额定隔离电压下接受1秒的生产耐压测试以确保符合标准要求。常见的零件认证标准包括：UL1577、CSA#5A和VDE60747-5-2。

结语
数字控制系统需要速度更快的隔离技术。然而正如本文所述，目前要在各种音频、视频和工业系统中实作高速隔离层却会在频宽方面遇到许多瓶颈。设计人员在发展本质安全型系统 (intrinsically safe system) 时可利用两种架构解决隔离元件造成的瓶颈问题。在所有耦合器中，唯有新出现的硅晶隔离元件技术才能解决隔离资料产出的问题。总而言之，数字隔离元件技术提供最低成本、最小延迟时间、最高位元速率和最大整合度的隔离路径。这项新出现的可扩充技术克服了使用隔离模拟资料传输时所须面对的数字障碍。