用于数字通信接口的稳健且超低功耗的隔离

2010-11-18 13:28:48来源: 互联网

    随着工厂自动化网络的复杂度日益提高,通常需要多个组件和模块相连接来进行控制与通信。这种离散的系统将会面对工业环境中常见的各种浪涌冲击或噪声干扰。因此,设计师需要提供一个既能够防止瞬态高压的绝缘保护也可以防止共模噪声干扰的信号隔离方案。虽然传统的光电隔离技术已经可以满足这种需求,但新的设计趋势则提出了更低功耗的要求。

数字通信接口隔离

    电气隔离是为了防止带电的粒子从一个电路游动到另外一个电路。在互相隔离的两个电路之间,它们的供电、接地以及电路之间不可以有任何物理上的传导连接。同时,两个电路之间必要的信息可以通过其他的方式进行传输和交换,如使用光电转换的方式进行交换。

    在数字通信上需要隔离有四个主要理由:首先,它可以用来隔离并保护由一个模块产生的瞬间高电压浪涌,造成另外一个模块的损坏。这一点对工业环境特别重要,因为通常大型的高电压机械设备都会通过通信总线互相连接在一起。第二,隔离器也可以用来进行信号电平的转换,或者调整不同电源电压工作系统或电路间的电平逻辑信号。例如,微处理器可能以3.3V的电源工作,而I/O设备则以5V的电源工作,光电耦合器则可以用来连接这些不同的模块。第三,隔离器也可以用来抑制共模瞬变噪声。共模噪声可能会造成输出信号异常的电压变化或者过大的噪声,光电耦合器的耦合电容比较小,可以直接有效地降低共模电压,保证信号的质量。共模噪声的抑制对于容易受到干扰的电路,如传感器、A/D转换器、信号发送器等,都非常重要。最后,隔离器也可以用来切断不同接地电平所造成的接地环路。接地环路会带来电气系统中共用路径两点之间不必要的电流流动。接地环路电流如果没有被消除,将会严重影响信号的完整性,甚至触发错误信号。


图1 典型的隔离SPI接口

数字通信低功耗隔离方案

    光耦在工业领域的应用非常广泛,它可以用来隔离Profibus、DeviceNet、USB、I2C、RS485和CANBus等现场总线系统。光耦可以为整个系统提供高电压的浪涌保护,也可以帮助消除接地环路当中的噪声,还可以被用来在开关电源一次侧和二次侧之间对反馈信号或者PWM驱动信号进行隔离。另外,光耦亦可以用来提供POE(Power-Over-Ethernet),也就是以太网供电内的热切换控制器和主控制器间接口的隔离和噪声控制。

     在工厂自动化中,控制单元必须和外部通信,由于在不同的网络层和物理位置有很多的互连设备,因此接地环路和高瞬变短脉冲在现场总线应用当中是非常普遍的。需要有高共模抑制能力的高速数字光电耦合器来隔离并保护这些系统。适当的隔离可以确保系统MCU或DSP所提供的数字信号可以安全、精确地对电机进行控制。

    SPI串行外设接口是一个广泛应用的通信总线,它可以让多个从属端连接到一个主控端上进行通信与控制。SPI使用3个主要的逻辑信号,分别为串行时钟、信号输入(SDI)和信号输出(SDO)。如果只使用单一的从属端,那么第四条信号线从属选择(SS)就可以设定为低电平。SPI可以用来替代并行接口,避免并行电路、环绕PCB的麻烦。例如带有SPI输出的12位的ADC可以把12条信号线缩减为单一的SPI输出,付出的代价就是数据的有效传输速度。假设使用相同的串行速度,那么有效速度就会降低12倍。图1中提供了典型的隔离SPI接口,要进行数据传送,主控端首先要使用低于或者等于从属端器件可以支持的最高频率进行时钟配置。在每个SPI时钟周期,会发生全双工的数据传输。主控端在SDI线送出一位的信息,从属端就在相同线路补入。从属端在SDO线路送出一位数据,那么主控端也由相应的线路补入。在整个SPI的数据传输中,环路延迟对于系统的正常运行非常重要。低功耗的高速光耦系列,采用了快速CMOS技术,整个环路延迟大约为92ns。


    在光电耦合器工作时,有两个主要的部件会消耗电流,分别为驱动LED的正向电流IF以及将LED的光电信号转换为电气信号的检测器电流ID。光电耦合器可以通过降低LED的驱动电流和检测器电流来达到低功耗。电源效率通常是工程师必须持续努力改进的关键的性能参数。选用低功耗的光电耦合器有四个重要的理由:首先,它可以降低整体功耗;其次,通过较低的功耗可以减少发热,从而简化温度管理系统设计;第三,通过使用较低的驱动电流,光电耦合器的LED寿命可以大大延长;最后,低于4mA的LED驱动电流可以由大部分微控制器以及ASIC直接驱动,不需要外部缓冲器。

    图2显示了Avago的光电耦合器在85℃到105℃的条件下,以2mA的驱动电流工作时,现场工作年限和电流转换比(CTR)的衰减度。基本上,LED的工作寿命和驱动电流是成反比的,通过降低驱动电流,LED的工作寿命可以大幅提升。图2中的数字使用了采用Black’s Model计算的等效现场小时数,是基于LED 100%被点亮,使用了三个西格玛的数据,Avago的LED CTR的衰减为5%,可以实现长达35年的连续工作寿命。


图2 Avago的光电耦合器在85℃到105℃的条件下,2mA的工作电流时,现场工作年限和电流转换比(CTR)的衰减度

创新设计技术和功能

    使用光电耦合器有几个重要的好处,除了可以提供MCU或DSP的直接连接以外,也可以方便地改变输出的极性。最重要的是,光电耦合器提供了卓越的抗噪声能力,非常适合使用在高噪声的电器环境中。

    以往的光电耦合器可能需要在MCU或者DSP的输出连接一个缓冲器来提高LED的驱动电流。目前Avago最新的光电耦合器可以使用最低40μA的正向电流点亮。这类光电耦合器可以被大部分的微处理器直接驱动,不需要外加缓冲器,从而节约器件的数量并简化电路板的设计。

    大部分隔离器都拥有预先设定好的输出配置,例如反相或者同相。反相代表输出信号与输入信号极性相反。例如,输入逻辑为高电平时,输出逻辑为低电平。同相则代表输出信号与输入信号极性相同。LED光电耦合器可以在不使用反相器的情况向改变输出极性。图3中,左图的电路连接方式可以提供反相输出,通过将Vin连接在Vcc,并且接地连接到Vin,就可随着工厂自动化网络的复杂度日益提高,通常需要多个组件和模块相连接来进行控制与通信。这种离散的系统将会面对工业环境中常见的各种浪涌冲击或噪声干扰。因此,设计师需要提供一个既能够防止瞬态高压的绝缘保护也可以防止共模噪声干扰的信号隔离方案。虽然传统的光电隔离技术已经可以满足这种需求,但新的设计趋势则提出了更低功耗的要求。

数字通信接口隔离

    电气隔离是为了防止带电的粒子从一个电路游动到另外一个电路。在互相隔离的两个电路之间,它们的供电、接地以及电路之间不可以有任何物理上的传导连接。同时,两个电路之间必要的信息可以通过其他的方式进行传输和交换,如使用光电转换的方式进行交换。

    在数字通信上需要隔离有四个主要理由:首先,它可以用来隔离并保护由一个模块产生的瞬间高电压浪涌,造成另外一个模块的损坏。这一点对工业环境特别重要,因为通常大型的高电压机械设备都会通过通信总线互相连接在一起。第二,隔离器也可以用来进行信号电平的转换,或者调整不同电源电压工作系统或电路间的电平逻辑信号。例如,微处理器可能以3.3V的电源工作,而I/O设备则以5V的电源工作,光电耦合器则可以用来连接这些不同的模块。第三,隔离器也可以用来抑制共模瞬变噪声。共模噪声可能会造成输出信号异常的电压变化或者过大的噪声,光电耦合器的耦合电容比较小,可以直接有效地降低共模电压,保证信号的质量。共模噪声的抑制对于容易受到干扰的电路,如传感器、A/D转换器、信号发送器等,都非常重要。最后,隔离器也可以用来切断不同接地电平所造成的接地环路。接地环路会带来电气系统中共用路径两点之间不必要的电流流动。接地环路电流如果没有被消除,将会严重影响信号的完整性,甚至触发错误信号。


图1 典型的隔离SPI接口

数字通信低功耗隔离方案

     光耦在工业领域的应用非常广泛,它可以用来隔离Profibus、DeviceNet、USB、I2C、RS485和CANBus等现场总线系统。光耦可以为整个系统提供高电压的浪涌保护,也可以帮助消除接地环路当中的噪声,还可以被用来在开关电源一次侧和二次侧之间对反馈信号或者PWM驱动信号进行隔离。另外,光耦亦可以用来提供POE(Power-Over-Ethernet),也就是以太网供电内的热切换控制器和主控制器间接口的隔离和噪声控制。

    在工厂自动化中,控制单元必须和外部通信,由于在不同的网络层和物理位置有很多的互连设备,因此接地环路和高瞬变短脉冲在现场总线应用当中是非常普遍的。需要有高共模抑制能力的高速数字光电耦合器来隔离并保护这些系统。适当的隔离可以确保系统MCU或DSP所提供的数字信号可以安全、精确地对电机进行控制。

    SPI串行外设接口是一个广泛应用的通信总线,它可以让多个从属端连接到一个主控端上进行通信与控制。SPI使用3个主要的逻辑信号,分别为串行时钟、信号输入(SDI)和信号输出(SDO)。如果只使用单一的从属端,那么第四条信号线从属选择(SS)就可以设定为低电平。SPI可以用来替代并行接口,避免并行电路、环绕PCB的麻烦。例如带有SPI输出的12位的ADC可以把12条信号线缩减为单一的SPI输出,付出的代价就是数据的有效传输速度。假设使用相同的串行速度,那么有效速度就会降低12倍。图1中提供了典型的隔离SPI接口,要进行数据传送,主控端首先要使用低于或者等于从属端器件可以支持的最高频率进行时钟配置。在每个SPI时钟周期,会发生全双工的数据传输。主控端在SDI线送出一位的信息,从属端就在相同线路补入。从属端在SDO线路送出一位数据,那么主控端也由相应的线路补入。在整个SPI的数据传输中,环路延迟对于系统的正常运行非常重要。低功耗的高速光耦系列,采用了快速CMOS技术,整个环路延迟大约为92ns。

    在光电耦合器工作时,有两个主要的部件会消耗电流,分别为驱动LED的正向电流IF以及将LED的光电信号转换为电气信号的检测器电流ID。光电耦合器可以通过降低LED的驱动电流和检测器电流来达到低功耗。电源效率通常是工程师必须持续努力改进的关键的性能参数。选用低功耗的光电耦合器有四个重要的理由:首先,它可以降低整体功耗;其次,通过较低的功耗可以减少发热,从而简化温度管理系统设计;第三,通过使用较低的驱动电流,光电耦合器的LED寿命可以大大延长;最后,低于4mA的LED驱动电流可以由大部分微控制器以及ASIC直接驱动,不需要外部缓冲器。

    图2显示了Avago的光电耦合器在85℃到105℃的条件下,以2mA的驱动电流工作时,现场工作年限和电流转换比(CTR)的衰减度。基本上,LED的工作寿命和驱动电流是成反比的,通过降低驱动电流,LED的工作寿命可以大幅提升。图2中的数字使用了采用Black’s Model计算的等效现场小时数,是基于LED 100%被点亮,使用了三个西格玛的数据,Avago的LED CTR的衰减为5%,可以实现长达35年的连续工作寿命。


图2 Avago的光电耦合器在85℃到105℃的条件下,2mA的工作电流时,现场工作年限和电流转换比(CTR)的衰减度

创新设计技术和功能

    使用光电耦合器有几个重要的好处,除了可以提供MCU或DSP的直接连接以外,也可以方便地改变输出的极性。最重要的是,光电耦合器提供了卓越的抗噪声能力,非常适合使用在高噪声的电器环境中。

    以往的光电耦合器可能需要在MCU或者DSP的输出连接一个缓冲器来提高LED的驱动电流。目前Avago最新的光电耦合器可以使用最低40μA的正向电流点亮。这类光电耦合器可以被大部分的微处理器直接驱动,不需要外加缓冲器,从而节约器件的数量并简化电路板的设计。

    大部分隔离器都拥有预先设定好的输出配置,例如反相或者同相。反相代表输出信号与输入信号极性相反。例如,输入逻辑为高电平时,输出逻辑为低电平。同相则代表输出信号与输入信号极性相同。LED光电耦合器可以在不使用反相器的情况向改变输出极性。图3中,左图的电路连接方式可以提供反相输出,通过将Vin连接在Vcc,并且接地连接到Vin,就可以得到同相输出,这样做也有助于减少器件数。


图3 使用LED输入光电耦合器改变输出极性

    共模噪声是数字通信应用中的重要问题,特别是在电动机、传感器和可编程控制器(PLC)相互连接的工作环境中。在这类系统中,隔离器有助于降低噪声,并且强化信号的完整性。所有的隔离器不管采用何种技术,都会在器件的两个隔离端之间产生寄生电容。发生在输出端的噪声变化,可能会引起输入端不必要的电压上升,造成输入的错误触发,甚至低阻抗逻辑的输入锁定。带有LED输入的光电耦合器非常适合于高共模噪声环境的应用。首先,光信号通过透光的绝缘材料的衰减是非常低的,因此隔离的距离可以加大,较大的隔离距离的直接好处是可以实现比较低的寄生电容。也就是说,输入和输出端之间不必要的耦合可以降至最低。第二,通过使用分离式的电阻输入驱动方式,将原来单一的限流电阻分成两个小阻值的电阻,连接在LED的两端,可以平衡LED输入上的阻抗,在这种配置中,由共模噪声造成的LED输入上的电压上升会比较对等,因此,不会点亮LED。第三,LED输入拥有相对较高的输入电容,一般为70pF。LED和限流电阻串联可以作为低通滤波器滤除高频噪声。通过使用平衡式的分流电阻,光电耦合器的共模抑制比即使在驱动电流只有2mA时,也可以提高到35kV/ms。

    共模抑制在隔离器上有两种形式:静态和动态。静态CMR是指输入为固定高电平或者低电平情况下的共模噪声抑制能力,通常系统为备用或者待机的状态。在这些状态下,系统的部分组件被关断以节约功耗,只剩下部分模块来检测信号。系统必须维持相同的逻辑状态,不管环境中有没有发生静态共模噪声。这主要是为了确保噪声不会造成系统的误触发。在动态环境下,系统通过逻辑高电平与低电平不停地发送信号,要避免共模噪声耦合到输入信号上,系统就必须滤除这些噪声,称为动态CMR。对于部分的隔离器来说,系统的动态CMR通常要低于静态CMR。Avago的光电耦合器会检测由输入信号设定的正向电流大小,并且把光输出到检测器,因此它的结构决定了在动态和静态环境下的性能是相当的。

    Avago的光电耦合器在数字上面可以满足高速设备的要求,LED输入的光电耦合器具有可以在输入限流电阻上并联一个峰化电容的能力,来提高速度性能。峰化电容的大小,可以由输入信号的上升和下降时间、电源电压以及LED的输入电流驱动来决定。图4中,左图为一个电源电容的电路,右图是测试的结果。从图中可以看出传输延迟和脉宽失真可以通过加入峰化电容进行改善。其中,实线部分是没有加峰化电容时的表现,虚线部分是加入了峰化电容以后的改善情况。

     图4 通过在串行输入限流电阻上并联一个峰化电容,可以提升光电耦合器的速度性能(tplh、tphl和PWD)

    在系统上电或者掉电的瞬间,有些芯片的I/O口可能处于不确定的状态,甚至会对外发出一些错误的脉冲。新一代的低功耗光电耦合器集成了类似欠压锁定的功能来避免电源遗失或恢复时对输出造成的干扰。这一功能在设计上主要是为了确保输出在电源启动或者关闭的时候处于确定的状态而不会发出假信号。

    设计工程师通常会面临不同的通信接线,由于负载不同而造成上升和下降时间差异的问题。图5中可以看到,较高的负载电容会使输出上升和下降的时间较长,造成传输延时、脉宽失真的变化差异。Avago新一代光电耦合器中加入了摆率可控输出,确保输出在不同负载电容下拥有稳定的上升和下降时间。这对一点对于并行通信连接特别重要。


图5 由于负载不同而造成上升和下降时间差异的问题

    数字通信系统面临着四个影响可靠性和性能的电路问题,分别为高压脉冲瞬变、不同接地瞬变造成的共模噪声、接地环路和电平不兼容问题。超低功耗光电耦合器不仅可以节省功耗,还可简化电源和温度管理的设计,提高LED使用寿命并直接和微控制器连接。Avago可以提供不需牺牲高电压绝缘和噪声隔离性能的低功耗隔离方案。 LED输入光电耦合器除了可以改变输出极性并通过加入峰化电容提升速度外,分离式平衡电阻的使用还为其带来了卓越的抗噪能力。

问答选编

问:功率驱动电路中的光电隔离和过零检测电路中的光电隔离的原理有什么区别?如何正确选择光电耦合器?

答:从光电隔离的角度来说二者相似。功率驱动电路中的光耦拥有强大的电流输出功能,可以用来驱动如IGBT或Power MOSFET。过零检测电路中的光耦则可能是常见的HCPL-817光电晶体管,其功能是信号输出,无法驱动功率器件。

问:瓷封装和塑料封装光耦合器在性能和可靠性上有什么差别?

答:工业项目中使用塑料封装光耦合器就足够了。通常陶瓷封装是在军事或卫星使用。

问:什么叫摆率可控输出?

答:摆率可控输出:基本上输出摆率会随着输出负载变动,因为需要更多时间对更高负载充电。传播延迟和PWD也会随着负载电容增加,对线路负载电容不同的平行通信造成问题。光电耦合器内置摆率可控功能,确保输出在不同负载电容下拥有稳定的上升和下降时间。

问:模拟绝缘放大器在应用上要注意什么问题?

答:主要注意模拟绝缘放大器两边应提供稳定的电源、在 PCB板上布线以及选择适当的输入信号范围。

问:为了获得更好的共模抑制特性,数字光电耦合隔离器的引脚如何设置?

答:为了确保良好的共模抑制特性,可在阳极和阴极都输入阻抗平衡的LED(即正向电流和返回电流路径)。通过使用“分裂电阻”的方法,可以平衡各LED的输入阻抗。在这种配置中,由于在LED输入共模噪声电压的上升将是对称的,所以不能打开LED,从而相对独立的输入正向电流。

问:光耦隔离的响应速度和那些因素有关?目前大到什么水平?

答:主要与LED、光电感应器等的速度有关。目前高达到50MB(HCPL-0710)。

问:光电耦合器有必要再在外部进一步屏蔽吗?目前有产品化的外屏蔽光耦吗?

答:除非是处于极端嘈杂的环境或爆炸性环境中,才可能要附上在PCB的接地外壳。

问:在数字开关电源中,光耦隔离器如何设计才能达到精密稳压要求?

答:视设计之要求而定,可能需要使用更高的数据速率。HCPL - 0723光电耦合器即可提供更快速的数字通信。

关键字:光电耦合器  隔离器  共模噪声  光耦  接地环路  低功耗

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2010/1118/article_2733.html
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