集成信号和电源隔离提供鲁棒且紧凑的测量与控制

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鲁棒且精确的测量与控制对工业仪器仪表和过程控制应用十分重要。 为了防止接地环路影响测量精度,以及避免瞬变电压永久性损坏仪表,诸如RTD或热电偶之类的各种工业传感器一般都需要输入隔离。除了很小的目标差分信号以外,这些传感器还可能承载显著的共模电位或较大的电压瞬变,前者会降低数据采集精度,后者则可能带来安全风险。类似地,为了安全且精确地操作液压执行器、电磁阀或电机启动器等执行器,需要隔离式模拟输出。

除了要将模拟输入和输出与系统地隔离以外,输入之间和输出之间也需要隔离,以便处理不同传感器和执行器的不同共模电位,防止互相干扰。数字隔离器通过取代体积较大且不精确的传统模拟隔离器和光耦合器,已经成功提高了模拟系统性能,并且缩小了系统尺寸。置于检测节点的高分辨率ADC将精密模拟检测信号转换为数字流,然后利用高集成度多通道数字隔离器,通过隔离栅传输至系统微控制器。同样,来自系统微处理器的数字命令也是先利用数字隔离器通过隔离栅传输,然后利用高分辨率DAC转换为精确的模拟电流或电压控制信号。

数字隔离器消除了模拟隔离器或传统光耦合器相关的信号失真和降级,但是,DAC与控制器件的接口或ADC与传感器的接口需要隔离电源才能工作。虽然可以利用分立式隔离DC/DC转换器从系统侧提供隔离电源,但它们需要许多分立器件,体积较大且难以设计。这些分立DC/DC转换器的输出也未得到很好的调节,并且在低负载时(低功耗高分辨率ADC或DAC就是如此),其效率极其低下。为实现鲁棒且紧凑的模拟测量与控制系统,需要小型集成式隔离电源和数字隔离。isoPower是领先的工业数字隔离器iCoupler技术的扩展,可在超薄紧缩小型封装(SSOP)中提供隔离信号和电源。

isoPower:用微变压器实现信号和电源隔离
让我们详细研究一些isoPower器件,看看它们与传统DC/DC方案有何区别。图1显示了isoPower器件ADuM5010(提供最高150mW隔离电源的集成DC/DC转换器,采用20引脚SSOP封装)、一个DC/DC设计和一个基于光耦合器的分立设计的尺寸对比。ADuM5010仅占用90mm2的板空间,其中包括4个表贴陶瓷电容,而总共包括16个器件的分立设计则需要470mm2的板空间,比isoPower器件多5倍以上。DC/DC模块的尺寸变化不定,但其厚度一般不适合表面贴装。 SSOP封装的隔离式DC/DC转换器可以利用双芯片集成实现,如图1b所示。

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图1(a)不同隔离电源方案的尺寸比较;(b)150mW全集成式DC-DC转换器ADuM5010透视;(c)集成DC/DC转换器的双通道隔离器ADuM521x透视

左边的芯片具备变压器切换电路,右边的芯片则具备整流二极管和反馈控制器。左芯片上集成三个变压器,上方较小的变压器提供反馈信号隔离,下方两个变压器用于传输隔离电源。SSOP上还可以再放置两个芯片,提供额外的数字隔离通道,如图1c所示。isoPower器件ADuM521x是双通道隔离器,集成150mW DC/DC转换器。右上芯片上的两个微变压器为两个数字通道提供隔离。左上芯片和右上芯片均有编码和解码电路,用于将数字信号传输到微变压器的另一端。

更多内容,请参阅http://www.epc.com.cn/pdfdown.php?source=2014.07.pdf

 

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