要從極端和通常危險的環(huán)境里取得高質(zhì)量模擬信號并保護(hù)作業(yè)員安全是件困難工作。本文除了介紹如何在危險環(huán)境里利用光耦合器或創(chuàng)新的數(shù)字隔離元器件技術(shù)獲取模擬信號的各種方法外，還將探討高傳真音頻與視頻系統(tǒng)對于高速隔離元器件的需求。
 
工廠環(huán)境不僅吵雜，經(jīng)常還有危險性。然而為了確保控制系統(tǒng)及其作業(yè)員的安全，我們?nèi)皂毴〉脺囟�、壓力、流速和氣體濃度等重要模擬信息。如圖1所示，多種調(diào)變技術(shù)可用來將模擬信號編碼，然后再穿越隔離層傳送出去。編碼信號通過隔離層后，就由濾波器或解調(diào)器根據(jù)它來重建模擬信號。這類系統(tǒng)可直接驅(qū)動安全關(guān)機(jī)電路，并在某個參數(shù)超出預(yù)設(shè)臨界值時自動關(guān)閉系統(tǒng)。反應(yīng)時間對于這些系統(tǒng)很重要，它通常是由隔離元器件的延遲時間所決定。

圖1：隔離式模擬信號擷取

 
如圖2所示，音頻、視頻和馬達(dá)控制等許多其它系統(tǒng)也會使用隔離元器件，只不過它們通常是用隔離元器件將接地回路減至最短以增強(qiáng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾�。這些系統(tǒng)多半使用8或16位高分辨率（高傳真音頻系統(tǒng)使用24位）的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器或者吞吐量為100Ksp到數(shù)個Msps的數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器。設(shè)計人員則會根據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)的質(zhì)量要求和預(yù)算限制來選擇這些模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。舉例來說，典型音頻系統(tǒng)的DSP必須從光盤讀取數(shù)字內(nèi)容，然后處理這些信息以便加入適當(dāng)音效 (2、4或8聲道音頻)，最后再將處理完成的位串流送到音頻數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器 (圖1的濾波器/解調(diào)器)。數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器輸出的模擬信號接著會送到揚(yáng)聲器，重新產(chǎn)生使用者想聽的聲音。如前所述，許多音頻系統(tǒng) (尤其是24位高傳真系統(tǒng)) 喜歡將DSP電路的接地面與電源 (揚(yáng)聲器) 接地面隔離。這項技術(shù)是用來將接地回路的拾取信號減至最少，進(jìn)而降低背景噪聲和嗡嗡聲。
 

圖2：模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器與處理器之間的隔離控制范例

音頻與視頻系統(tǒng)也需要高速和延遲時間最小的隔離數(shù)據(jù)傳輸以確保原始音頻或視頻內(nèi)容能夠忠實再生。音頻系統(tǒng)通常使用48ksps模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，視頻系統(tǒng)則需要數(shù)據(jù)速率更高的轉(zhuǎn)換器——它們多半是速率1Msps到10Msps的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。我們需要140Mbps隔離元器件才能將序列編碼的14位、10Msps數(shù)據(jù)串流傳送通過隔離層，這只有現(xiàn)代數(shù)字隔離元器件才能做到。
 
光耦合器與數(shù)字隔離元器件的比較

光耦合器和數(shù)字隔離元器件都能用于隔離和提供一條跨越隔離層的通訊鏈路。這兩種技術(shù)都有其各自優(yōu)點(diǎn)。
 
光耦合器

光耦合器是能夠跨越隔離層傳輸信號的一種裝置，主要由光發(fā)射器和光偵測器組成(參考圖3)。這兩種元器件通常會整合到同一個封裝，但它們之間除了光束之外不會有任何電氣或?qū)嶓w連接。光發(fā)射器大都是發(fā)光二極管，光偵測器的種類比較多，但多半由光電二極管或光敏晶體管擔(dān)任。

圖3：典型的光耦合器連結(jié)電路

光耦合器多年來都是本質(zhì)安全型系統(tǒng)(intrinsically safe system)的主要隔離元器件。模擬光耦合器可將模擬信號傳送通過隔離層，這些光耦合器只要傳輸速率在100kbps以下就具有成本相對較低的優(yōu)勢。不幸的是，光耦合器會占用很大的空間 (每個封裝通常只能提供一個通道，還需要多顆分立元器件支持)，數(shù)據(jù)產(chǎn)出也相當(dāng)有限 (最多僅數(shù)十個Mbps)。更糟的是，光耦合器需要多顆分立元器件與它搭配，其效能還會隨著環(huán)境溫度的增加而下降。
 
隨著系統(tǒng)溫度升高，光耦合器的驅(qū)動電流需求在許多情形下會增加一倍，這是因為電流傳送比(CTR，代表輸入信號傳送到輸出端的比值) 會隨著溫度從25℃升高至100℃而減少六成。這會增加光耦合器驅(qū)動電流和系統(tǒng)散熱需求。這種溫度變化在馬達(dá)控制應(yīng)用中極為常見。光耦合器雖然受到許多限制，但它們通常都能提供3kV的電壓隔離能力，耗電量則只有數(shù)百毫瓦。

數(shù)字耦合元器件

數(shù)字隔離元器件的操作方式與光耦合器很類似，只不過調(diào)變對象是射頻載波而不是光。這種簡單架構(gòu)不需任何特殊考慮或啟動時的初始設(shè)定就能提供可靠的隔離數(shù)據(jù)路徑。圖4所示即為Silicon Laboratories單信道Si8440隔離元器件的簡單方塊圖，其中每個通道都是由射頻傳送器與接收器以及做為隔離元器件的變壓器所組成。傳送器會通過開啟/關(guān)閉的鍵控方式對射頻振蕩器提供給輸入端A的載波信號進(jìn)行調(diào)變，再將所得到的波形送到變壓器初級端。接收器則包含一個解調(diào)器，它會根據(jù)射頻信號的能量內(nèi)容對輸入狀態(tài)進(jìn)行譯碼，然后通過輸出驅(qū)動器將結(jié)果送到輸出端B。

圖4：射頻偶合器概要圖

數(shù)字隔離元器件提供單向、高靈敏度、穩(wěn)定和可重復(fù)的切換點(diǎn)，它會使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS芯片級技術(shù)制造內(nèi)部變壓器以便利用氧化硅提供電氣隔離。射頻耦合器高達(dá)150Mbps的峰值數(shù)據(jù)速率比傳統(tǒng)光耦合器的速率超過10倍以上。另外，射頻耦合器采用的CMOS技術(shù)還能繼續(xù)升級以支持未來更高數(shù)據(jù)產(chǎn)出。
 
射頻耦合器的瞬時耐受性超過30kV/μs，光耦合器只有10kv/μs。它們還提供2500VRMS的電氣隔離能力。射頻耦合器的制程參數(shù)比較不容易受到制程效應(yīng)影響，故對溫度變動的抵抗能力也優(yōu)于光耦合器，許多射頻耦合器的操作溫度最高都能達(dá)到125℃。相較于光耦合器，射頻耦合器的最大優(yōu)點(diǎn)在于體積更精巧。它們通常使用每個通道僅需很小晶粒面積的方式制造，許多產(chǎn)品甚至還采用SOIC封裝技術(shù)，這使得每個封裝都能提供多個通道。射頻耦合器的缺點(diǎn)是操作范圍相當(dāng)有限，這使它們在高電壓產(chǎn)品的應(yīng)用受到極大限制。射頻耦合器通常只能使用5V電壓操作。圖5顯示數(shù)字隔離元器件對于電路板面積的影響。表1顯示數(shù)字隔離元器件的省電特性與吞吐量都勝過光耦合器。

圖5：光耦合器與數(shù)字隔離元器件的布局比較

表1：光耦合器與數(shù)字隔離元器件的比較

安全考慮

這類應(yīng)用 (尤其是需要本質(zhì)安全的應(yīng)用)多數(shù)都需要2500VRMS的隔離能力才能保護(hù)使用者不受電擊。舉例來說，220-240V應(yīng)用就需要兩倍保護(hù)能力以確保作業(yè)員安全。為了提供兩倍的隔離保護(hù)，終端系統(tǒng)在安全超低電壓(SELV，電壓<30VRMS)和危險電壓(電壓>30VRMS)之間的8毫米隔離邊界范圍內(nèi)不能有任何銅線路通過。這個邊界區(qū)域應(yīng)采用焊阻等均勻覆層，跨越這個邊界的任何裝置至少必須提供2500VRMS的隔離能力。除此之外，終端設(shè)備認(rèn)證經(jīng)常會包含兩種產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)，分別是測試與量測設(shè)備的IEC61010-1以及信息科技設(shè)備的IEC60950-1標(biāo)準(zhǔn)。
 
為減少終端產(chǎn)品通過IEC61010-1和60950-1認(rèn)證所需的時間與成本，隔離元器件通常會先接受CSA國際驗證部 (CSA International) Underwriter Laboratories的Component Programs以及Certification Institute的VDE Testing認(rèn)證。這類元器件認(rèn)證程序多半極為嚴(yán)格，它們通常包含JEDEC型樣認(rèn)證以及由獨(dú)立測試機(jī)構(gòu)執(zhí)行60秒額定隔離電壓的耐壓測試(hi-pot testing)。完成初步認(rèn)證后，認(rèn)證機(jī)構(gòu)還會到廠商的生產(chǎn)廠房進(jìn)行現(xiàn)場核查，他們會讓隔離元器件在額定隔離電壓下接受1秒的生產(chǎn)耐壓測試以確保符合標(biāo)準(zhǔn)要求。常見的元器件認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)包括：UL1577、CSA#5A和VDE60747-5-2。

結(jié)語

數(shù)字控制系統(tǒng)需要速度更快的隔離技術(shù)。然而正如本文所述，目前要在各種音頻、視頻和工業(yè)系統(tǒng)中實作高速隔離層卻會在帶寬方面遇到許多瓶頸。設(shè)計人員在發(fā)展本質(zhì)安全型系統(tǒng)(intrinsically safe system)時可利用兩種架構(gòu)解決隔離元器件造成的瓶頸問題。在所有耦合器中，唯有新出現(xiàn)的硅晶隔離元器件技術(shù)才能解決隔離數(shù)據(jù)產(chǎn)出的問題�？偠灾瑪�(shù)字隔離元器件技術(shù)提供最低成本、最小延遲時間、最高位速率和最大整合度的隔離路徑。這項新出現(xiàn)的可擴(kuò)充技術(shù)克服了使用隔離模擬數(shù)據(jù)傳輸時所須面對的數(shù)字障礙。

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Keith Coffey
Silicon Laboratories Inc.
keith.coffey@silabs.com