如何爲物聯網傳感器選擇合適的電流隔離技術---凱利訊半導體

　　新的IoT應用程序的發展使許多設計師面臨着在傳感器和其他電子設備之間提供電化(ohmic)隔離的挑戰。這種隔離對於信號完整性、系統保護和用戶安全至關重要，但是設計者必須從三個主要的隔離技術中挑選出來:磁性、光學和電容性屏障。

　　每個選項都有類似的性能特徵，但在選擇它們之間有細微的差別。爲此，本文將討論隔離在傳感器中的作用，然後介紹各種選項、它們的不同特性以及如何應用它們。

　　它還將引入數字隔離，並提供更多數字隔離器的例子。

　　隔離的必需品

　　當傳感器或傳感器子電路「孤立」,之間沒有電氣路徑和其餘的電路,和一個基本的測量使用歐姆表將顯示兩個部分之間沒有電流(圖1)。由於這一障礙,面臨的挑戰是讓信號從孤立子電路系統的其餘部分。在許多情況下，還有一個額外的挑戰:爲孤立的子電路提供電源，而無需通過電源子系統「繞過路徑」，這將抵消任何隔離。

　　圖1:在一個孤立的系統中，沒有接地的傳感器和系統之間沒有電流的路徑(可能是接地的)，但某些類型的信息軸承能量必須從一邊到另一邊。

　　隔離的原因包括:

　　傳感器是「浮動」的，不能與系統「接地」(系統「common」是一個更準確的術語，但是「ground」是這裏常用的誤稱)。

　　即使系統是電池驅動的，與「交流地」沒有連接，傳感器輸出也可以，如果是在高共模電壓(CMV)之上。這個CMV將損壞其餘的電子設備。例如，一個電池單元的電壓，它位於一系列堆棧的頂部。

　　傳感器可能無意中連接到高壓電源，甚至是交流線路。這不僅會損害電子產品，還會讓用戶面臨風險。

　　幸運的是，有一些可行的選擇，可以實現模擬傳感器隔離，提供低級別和高級別的隔離，從數以萬計的電壓到數千伏的電壓。後者在諸如EV / HEVs這樣的大衆市場應用程序中是必要的，而且通常是爲了監管安全任務。提供隔離使用的三種最常見的方法是使用磁力、光學和電容技術，每一種方法分別被評爲> 1000伏特和更高。

　　這些技術在主要性能屬性上有很大的重疊，但也有一些差異。在應用程序中哪個最合適的決定通常是困難的。

　　考慮的因素包括帶寬、大小和足跡、成本、隔離等級(伏特)、長壽等級和個人「舒適」。「找到性能參數的正確平衡取決於應用程序。例如，電池監測不需要快速響應，而高速測試傳感器則需要。

　　磁隔離:起始點

　　基於磁的隔離使用變壓器，是最古老的技術;多年來，這是唯一的技術。隔離變壓器通常有1:1的匝數比，而且可以相當小，因爲它是傳遞信號而不是電源，耗散相當低。

　　由於變壓器不能通過直流電，也不能很好地處理很低的頻率(除非它有一個大的核心)，因此孤立的信號不能直接應用到主(輸入)端。相反，傳感器信號被放大，如果需要，然後用於調製一個更高頻率的載波(振幅調製)，或者用於脈衝寬度調製(PWM)。

　　在輸出(二次)側，信號被解調，使用常規技術提取和恢復原始信號。隔離電源必須提供給主站，因此通常有獨立的、專用的、孤立的側供，而輸出端使用系統軌。

　　一個早期的從模擬設備(圖2)中提取的AD215是AD215。它的功能看起來像一個非隔離的op amp，但它提供1500 V(rms)隔離和120 kHz帶寬。它包含一個信號調製器、變壓器和信號解調器，以及一個隔離的直流電源。所有這些都需要提供電流隔離，但允許模擬信號從輸入端傳遞到輸出端。

　　圖2:在AD215磁隔離器內是信號調製器、變壓器和信號解調器，外加一個孤立直流電源。

　　設備±10伏特(V)輸入/輸出範圍與指定增益範圍1 V / V - 10 V / V,幷包括一個內部,隔離DC / DC電源前端,因此不需要單獨的供應。

　　雖然該AD215主要用於開關電源的反饋迴路，但也可用於電壓顯示器、電機電流傳感和大型電池系統，所有這些都在其400 kHz帶寬之內(圖3)。

　　圖3:雖然主要用於開關電源的反饋迴路中使用，AD215也可用於電壓監視器、電機電流傳感和大電池系統。這裏顯示的AD210是一個功能相同的AD215版本，但有一些放鬆的規範;AD620是精密儀器放大器。

　　在這種應用中，當測量電機的感應電阻器的電壓來決定電流通過電機時，通常需要模擬隔離。這是必要的，因爲感應電阻器不是地面參考，而是「漂浮」，而且可能在地面上有很高的潛力。

　　這些早期的基於磁性的隔離裝置使用的是離散的變壓器，因此相對來說比較大且昂貴。新設計使用的是與集成電路封裝兼容的平面、共平面變壓器的專有版本。例如，來自模擬設備的ADuM3190孤立的錯誤放大器被封裝在一個16導的QSOP包中，但提供了2.5 kV的隔離級別。它的平面變壓器的位置是平行的，以最大的能量傳輸(圖4)。

　　圖4:ADuM3190孤立的錯誤放大器被包裝成看起來和處理像IC一樣，但它包含硅模和一對平面變壓器，它們彼此平行放置，以最大限度的能量傳輸。

　　雖然它看起來像一個標準的op amp，它實際上接收輸入信號並使用它來生成一個PWM信號，它通過平面變壓器。該PWM信號被解調，並在輔助側過濾，以產生模擬輸出信號。數據表包括標準的op放大器的相位和增益邊界圖(圖5)。使用此設備(或類似設備)的設計者可以期望通過標準的放大器循環穩定性和相關的建模和仿真。Bode的情節將會有所幫助。

　　圖5:雖然它有一個複雜的、孤立的內部架構，但從模擬設備上的ADuM3190似乎是傳統的op amp

　　ADuM3190是額定−40°C + 125°C的環境工作溫度,這是一個現實的目標應用程序。請注意，由於隔離元件是一個剛剛纏繞的導線，除非設備超出其規格，否則在傳統意義上沒有「磨損」機制。

　　然而，由於電壓壓力，所有的絕緣材料最終會在相當長的一段時間內破裂，其退化率是在電壓勢壘中應用的電壓波形的大小和類型的函數。對於ADuM3190，供應商保證50年的壽命，即使在最大額定雙相交流波形，這比單極AC或同等量級的直流電壓更有壓力。

　　光學隔離:新選項

　　替代磁隔離是光學隔離,這是概念上很簡單:輸入端驅動LED,LED影響着co-packaged光電晶體管的輸出,和光電晶體管輸出電流(圖6)。和領導之間的短光路光電晶體管內包提供所需的電隔離。

　　圖6:一個光隔離器需要兩個活性元素:一個LED到源IR，一個光電晶體管將接收到的光子轉換成電流。在包內的光路提供了電流隔離。

　　與基於轉換的隔離一樣，使用PWM或其他方法將輸入信號用於在數字模式中對LED電流進行調製。Broadcom(Avago)acpl - c87b /C87A/ C870系列光學隔離放大器是一種很好的設備，可以在當前的感覺電阻上用於電壓傳感(圖7)。

　　圖7:Broadcom acpl - c87b /C87A/ C870家庭目標低電平電壓下的光隔離器，並使用帶有斬波穩定放大器的sigmag - delta調製來精確、準確、一致性。(圖片來源:博通)

　　光電隔離器在這個家庭有一個2伏特輸入範圍和高1 GΩ輸入阻抗。這些規格使它們適合於電力轉換器應用中的孤立電壓傳感要求，包括電機驅動和可再生能源系統。設備將光耦合技術以及法(Σ-Δ)調製,直升機穩定放大器,和微分輸出提供高隔離模式干擾抑制,補償低、增益高的準確性和穩定性。這些都被安置在一個延伸的so - 8(sso - 8)包中。

　　設備適合電源轉換器的應用程序由於其100千赫帶寬(圖8)和高共模瞬態免疫力(15千伏/µs)。這種瞬變與運動驅動是很常見的。

　　圖8:利用其內部sigmag - delta模擬-數字轉換技術，Broadcom acpl - c87b /C87A/ C870系列光學隔離放大器很容易達到100 kHz帶寬，平面響應爲100khz。

　　電容性隔離:最新的選擇

　　另一種隔離技術使用電容和隔離電容器的「板塊」之間的一分鐘間隔。由於集成電路和封裝技術的進步，近年來該技術已經變得可行且具有成本效益。一個很好的實現例子是德州儀器ISO124。這是一個精確的隔離放大器，它的輸入和輸出部分是通過匹配的1picofarad(pF)電容在soic - 16(或soic - 18)表面上安裝塑料封裝。

　　像其他模擬隔離放大器一樣，它的高級功能圖很簡單(圖9)。

　　圖9:模擬隔離放大器常用的符號是在ISO124數據表上使用的「分割」運算放大器。這清楚地表明輸入和輸出部分有它們自己的獨立的「根據」(儘管「common」將是一個更正確的名稱)。

　　與此同時，詳細的框圖顯示了用戶內部和不可見的複雜性(圖10)。

　　圖10:與磁性和光學隔離裝置一樣，ISO124中有相當數量的模擬和數字電路使其獨特的電容式隔離操作。

　　ISO124輸入是一個循環調製的，並通過數字傳輸跨越障礙。輸出部分接收調製信號，將其轉換回模擬電壓，消除解調中固有的波紋元件。最大非線性特性0.010%,50 kHz信號帶寬,和200年微伏(μV)/°C VOS漂移,並且需要一個電源在±4.5 V和±18 V。

　　與非孤立的op amps一樣，數據表既有表數據，也有在各種條件下的正弦波形和階躍響應性能的圖形信息(圖11)。這些隔離設備的潛在用戶需要研究數據和圖表，以確保設備性能與應用程序的需求相匹配。

　　圖11:由於ISO124模擬裝置的類似op amp性質，設計者需要密切關注許多圖形和表，包括標準的正弦和階躍響應圖。

　　ISO124非常適合低速應用，例如將信號從電阻溫度檢測器(RTD)和熱電偶溫度傳感器中分離到接收器端4 -20 mA電流環上，並將其轉化爲電壓(圖12)。

　　圖12:ISO124用於通過標準的4 -20 mA電流環隔離RTD，並將當前信號轉換成0 -5 V信號以控制系統的兼容性。

　　溫度測量應用程序通常要求傳感器與系統電路的其他部分隔離，因爲它們可能是直接固定的高電壓點，比如汽車外殼。然後，系統模數轉換器(ADC)用於讀出或閉環控制，這兩種情況都是常見的工業情況。

　　做這個決定

　　所有三種模擬隔離技術——磁性、光學和電容——都能在合適的條件下提供優異的結果。設計師的困境變成了如何在特定的情況下決定「最佳」。

　　考慮的因素包括帶寬、預期壽命(故障時間或磨損時間)、大小和功率要求。每個隔離技術可以平衡這些屬性，並可以提供特定的產品，在家庭中進行不同的權衡，從而使決策更加複雜。

　　關於電壓隔離的數量，這三種類型都被認證爲至少1 kV(有些達到5 kV，甚至更高)，並符合相關的監管標準(IEEE,VDE,CIE,UL,CSA)。因此，最大的隔離電壓對大多數物聯網應用來說並不是問題。如果這成爲一個問題，專用隔離器可以獲得更高的電壓。

　　對於每一種隔離技術，都有一些一般性的陳述，但對於每一個聲明都有例外，而且每個技術的供應商都能有效和合理地解釋爲什麼他們的方法更好。一般來說:

　　磁隔離具有很長的壽命，它的被動阻擋層可以承受比持續電壓等級高得多的衝擊和峯值。然而，由於磁場的感應耦合，它容易受到外界磁場的干擾。一些更新的設計成功地將這個問題最小化到這樣的程度，使這些單位能夠通過行業標準測試來證明這種干擾易感性。

　　光學隔離對電磁噪聲有很高的免疫力，但由於LED開關速度、功率耗散和LED磨損等原因，其速度適中。最後一個問題是最嚴重的問題，因爲led在正常使用中經歷了退化(暗調)，典型的半亮度週期大約爲10年。然而，像Broadcom / Avago這樣的公司已經在LED材料領域推動了這種技術的發展，因此保證能夠滿足20年的規範，這通常足以滿足這種情況。

　　電容性隔離對磁噪聲有很高的免疫力，與光學隔離相比，它可以支持更寬的帶寬，因爲沒有需要切換的led。實際上，大多數物聯網傳感器的應用都是低帶寬的。電容耦合還涉及到利用電場進行數據傳輸，因此它容易受到外界電場的干擾。

　　模擬與數字隔離

　　到目前爲止，我們已經研究了IoT傳感器的模擬隔離技術(圖13)。

　　圖13:在模擬隔離拓撲中，傳感器信號仍然是模擬信息(不管隔離器本身發生了什麼)，直到它到達非孤立的一端，在那裏可以轉換爲數字格式以供進一步使用。

　　然而，有一種基本的架構替代方法:數字隔離，模擬傳感器的輸出在隔離的一側進行條件和數字化，然後數字輸出通過數字隔離屏障(圖14)。

　　圖14:另一種通常有吸引力的方法是將信號在孤立的一側進行數字化，然後通過數字隔離屏障傳遞轉換結果。與模擬隔離設計相比，這允許一個非常不同的隔離函數實現。

　　與模擬隔離一樣，這個障礙可以使用三種技術中的任何一種，但它們的內部設計是專門針對數字信號進行優化的，通常可以支持數十兆比特的數據。此外，對於數字隔離，有一種新的第四類選項，它使用調製的射頻載波，而不是調製(LED)光。來自硅實驗室的Si863x系列是這種設備的一個很好的例子(圖15)。

　　圖15:來自硅實驗室的Si863x系列數字隔離器使用一種調製的射頻載波，而不是光在提供隔離時攜帶信號。

　　隨着ADCs的成本下降，供應商在I2C和LVDS等接口上標準化，使用數字隔離變得更加有吸引力。缺點是在孤立的方面需要更多的電路。這意味着需要更多的孤立電力，增加成本和足跡。

　　然而，低功率高性能ADCs的進步使這個問題變得不那麼嚴重了。標準接口數字隔離器，例如I2C的1 MHz ADUM1250和LVDS的600mbit /sec ADN4651，都是模擬設備，簡化了這個設計方案。在他們的多芯片集成電路封裝中也有集成的隔離，例如16位模擬設備AD7401A，使整個轉換和隔離過程對用戶透明。

　　最後，還有多通道隔離的問題。許多IoT應用程序只有一個或兩個需要隔離的傳感器，而另一些則可能有4個、8個甚至更多。在這些情況下，單獨的模擬隔離器可能太大，成本太高，而且電力供應緊張，

　　另一種方法是使用多通道ADC或一個帶有前端多路複用器的單一通道設備，所有的都在隔離的一側，以更高的速度數字隔離來傳輸結果。這可能比單通道隔離更有動力、空間和成本效益。

　　結論

　　在許多物聯網應用中，模擬傳感器隔離是信號完整性、系統安全性和用戶保護的關鍵問題。三個可行的相互競爭的技術可以實現隔離，每個技術在性能上有許多相似之處，但有一些細微的差別。數字隔離，傳感器數字化在孤立的方面，也是一個可以考慮在許多應用中考慮的選項。