IC660ELB912G

現(xiàn)場(chǎng)將電路搭完一試，嘿，居然成了！單位看到很快解決了問(wèn)題，也很是高興，非得招待一頓才讓走。今天想起來(lái)，很簡(jiǎn)單的一個(gè)事兒，就是一個(gè)腦筋急轉(zhuǎn)彎兒，沒(méi)別的。哈哈。

  其實(shí)像這個(gè)故障，還有好多別的解決的法兒，比如手頭有一只中功率晶體管，再加一只24V穩(wěn)壓管，也能方便地搭出24V穩(wěn)壓電源來(lái)。當(dāng)然好是有條件，能換用原型號(hào)配件進(jìn)行修復(fù)。

數(shù)字隔離電路主要用于數(shù)字信號(hào)和開(kāi)關(guān)量信號(hào)的傳輸。使用隔離電路的一個(gè)原因是為了噪聲。另一個(gè)重要原因是保護(hù)器件（或人）免受高電壓的危害。廠商的產(chǎn)品手冊(cè)中所列出的隔離等級(jí)（isolation rating）應(yīng)符合美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室 （UL 1577）、國(guó)際電工委員會(huì) （IEC 60747-5-2、IEC 61010-1）以及加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) （CSA Component Acceptance Notice 5A） 制定的有關(guān)隔離器標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)字隔離器件的生產(chǎn)商很多，如安華高、TI、ADI、NVE（nonvolatile electronics Inc）、芯科實(shí)驗(yàn)室（Silicon Laboratories）等公司，各廠商的產(chǎn)品都得到了廣泛的應(yīng)用。依照數(shù)字式隔離電路的生產(chǎn)工藝、電氣結(jié)構(gòu)和傳輸原理，數(shù)字隔離電路主要分為光學(xué)、電感以及電容耦合技術(shù)的數(shù)字隔離器件。產(chǎn)品有消費(fèi)設(shè)備、工業(yè)控制、軍用、航空航天等多個(gè)級(jí)別供用戶選擇。

各類數(shù)字隔離器件的工作原理及特點(diǎn)

光電隔離器

光耦合器（optical coupler）也叫光電隔離器或光電耦合器，簡(jiǎn)稱光耦。它是以光為媒介來(lái)傳輸電信號(hào)的器件。發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導(dǎo)體管）被封裝在同一管殼內(nèi)，當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。以光為媒介把輸入端信號(hào)耦合到輸出端的光電耦合器，由于具有體積小、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字電路上獲得了廣泛的應(yīng)用。其電路結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，主要由砷化鎵紅外發(fā)光二極管和用作檢測(cè)器的光敏二極管或三極管組成，有些產(chǎn)品在光敏二極管或三極管的后級(jí)添加一些處理電路，使其特性適合于一些特殊的應(yīng)用或?qū)崿F(xiàn)一些標(biāo)準(zhǔn)接口。安華高公司的高速CMOS接口光耦合器HCPL-0723的原理框圖如圖1所示。

安華高公司耦合器HCPL-0723的原理框圖

光耦合長(zhǎng)久以來(lái)一直用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，電氣層接口的早期參考設(shè)計(jì)中通常包括光耦合器。其主要優(yōu)勢(shì)是光線具有抗外部電磁場(chǎng)干擾的固有特性，而且光耦合可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)信息的傳輸。不足之處在于傳輸速度有限、功耗大并且發(fā)光二極管（LED）易受時(shí)間及溫度的影響而老化。

電感式隔離器

與光耦合一樣，電感耦合也有較長(zhǎng)的應(yīng)用歷史，但通常僅用于電源或模擬隔離器，而非數(shù)字器件。但隨著上海磁力泵廠家制造工藝的進(jìn)步和研發(fā)設(shè)計(jì)水平的提高，電感式數(shù)字隔離器件得到了迅速的發(fā)展和廣泛的運(yùn)用。

電感耦合使用不斷變化的磁場(chǎng)來(lái)通過(guò)隔離層實(shí)現(xiàn)通信。電感耦合的優(yōu)勢(shì)之一是可以在不明顯降低差模信號(hào)的情況下小化變壓器的共模噪聲。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是信號(hào)能量的轉(zhuǎn)換效率，因而可以實(shí)現(xiàn)低功耗隔離器。缺點(diǎn)之一是易受外部磁場(chǎng)（噪聲）的干擾。馬達(dá)控制等上海磁力泵廠家工業(yè)應(yīng)用在磁場(chǎng)環(huán)境中通常需要隔離。電感耦合另一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)與數(shù)據(jù)游程長(zhǎng)度（Data run-length，連續(xù)“1”或“0”的數(shù)目）的傳輸。初級(jí)繞組與次級(jí)繞組之間的耦合能夠以可接受的衰減量傳遞頻率范圍的信號(hào)。數(shù)據(jù)游程長(zhǎng)度的限制或時(shí)鐘編碼要求信號(hào)保持在變壓器的可用帶寬范圍內(nèi)。使用電感耦合的通用數(shù)字隔離器需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理才能傳輸并重建數(shù)字信號(hào)，以及傳輸代表一長(zhǎng)串“1”或“0”的低頻信號(hào)，甚至直流電平。

變壓器是一個(gè)常見(jiàn)的例子：初級(jí)繞組及次級(jí)繞組的結(jié)構(gòu)（單位長(zhǎng)度的圈數(shù)）、磁芯介電常數(shù)以及電流強(qiáng)度決定了磁場(chǎng)強(qiáng)度。根據(jù)對(duì)數(shù)字信號(hào)編解碼的不同，主要有以采用脈沖調(diào)制（ADI公司）和射頻調(diào)制（芯科實(shí)驗(yàn)室）為主的兩類產(chǎn)品。而采用巨磁電阻（GMR）效應(yīng)技術(shù)設(shè)計(jì)的數(shù)字隔離器件是另一個(gè)例子，以NVE公司和安華高公司為代表。

脈沖調(diào)制變壓器隔離器件

ADI公司的iCoupler隔離器是基于芯片尺寸變壓器的磁耦合器，是采用脈沖調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)的數(shù)字隔離器件。平面變壓器采用CMOS金屬層，頂部鍍了一層金用于鈍化。在鍍金層下面的抗高擊穿電壓的聚酰亞胺層將其頂部的變壓器線圈和底部線圈隔離。連接到頂部和底部線圈的高速CMOS電路為每個(gè)變壓器及其外部信號(hào)之間提供接口。晶片級(jí)信號(hào)處理提供了一種在單顆芯片中集成多個(gè)隔離通道以及其它半導(dǎo)體功能的低成本方法。iCoupler技術(shù)了與光耦合器相關(guān)的不確定的電流傳送比率、非線性傳送特性以及隨時(shí)間漂移和隨溫度漂移問(wèn)題，功耗降低了90%，并且無(wú)需外部驅(qū)動(dòng)器或分立器件。

數(shù)字信號(hào)的傳送是通過(guò)發(fā)送大約1ns寬的短脈沖到變壓器另一端來(lái)實(shí)現(xiàn)的，兩個(gè)連續(xù)的短脈沖表示一個(gè)上升沿，單個(gè)短脈沖表示下降沿。信號(hào)傳送框圖如圖2所示。次級(jí)端有一個(gè)不可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生檢測(cè)脈沖。如果檢測(cè)到兩個(gè)脈沖，輸出就被置為高電平。相反的，如果檢測(cè)到單個(gè)脈沖，輸出就置為低電平。采用一個(gè)輸入濾波器有助于提高噪聲抗擾能力。如果1ms左右沒(méi)有檢測(cè)到信號(hào)邊緣，發(fā)送刷新脈沖信號(hào)給變壓器來(lái)保證直流的正確性（直流校正功能）。如果輸入為高電平，就產(chǎn)生兩個(gè)連續(xù)的短脈沖作為刷新脈沖，如果輸入為低電平，就產(chǎn)生單個(gè)短脈沖刷新。這對(duì)于上電狀態(tài)和具有低數(shù)據(jù)速率的輸入波形或恒定的直流輸入是很重要的。為了補(bǔ)充驅(qū)動(dòng)器端的刷新電路，在接收器端采用了一個(gè)監(jiān)視定時(shí)器來(lái)保證在沒(méi)有檢測(cè)到刷新脈沖時(shí)，輸出處于一種故障狀態(tài)。ADI公司ADuM1100器件原理框

射頻調(diào)制變壓器隔離器件

芯科實(shí)驗(yàn)室公司是采用射頻調(diào)制變壓器技術(shù)研發(fā)生產(chǎn)數(shù)字隔離器件的典型代表。其Si844x系列器件以一套專利架構(gòu)為基礎(chǔ)，利用標(biāo)準(zhǔn)全CMOS工藝制造多組芯片級(jí)變壓器，能夠提供整合度高的4通道隔離功能。產(chǎn)品中采用的射頻編碼和譯碼機(jī)制使得不需要特別考慮或初始設(shè)定，就能提供可靠的隔離數(shù)據(jù)路徑。芯科實(shí)驗(yàn)室公司產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)與ADI公司的產(chǎn)品類似，但也有一個(gè)很明顯的缺點(diǎn)。由于采用射頻調(diào)制，內(nèi)部有2.1GHz的載波產(chǎn)生及檢測(cè)，載波和諧波會(huì)對(duì)外界產(chǎn)生電磁輻射，不過(guò)電磁輻射值滿足FCC（美國(guó)通信委員會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)要求。該公司射頻調(diào)制隔離器件的實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖4所示。

射頻調(diào)制隔離器件實(shí)現(xiàn)原理框圖

巨磁電阻隔離器件

NVE公司的IL系列和安華高公司的HCPL-90XX/09XX系列高速數(shù)字隔離器件是采用巨磁電阻技術(shù)集成的高速CMOS器件。在GMR隔離器中，輸入端信號(hào)在低電感線圈感應(yīng)電流，產(chǎn)生正比的磁場(chǎng)?？偟拇艌?chǎng)改變GMR的電阻，通過(guò)CMOS集成電路分析，輸出就是輸入信號(hào)的重生。該類器件優(yōu)點(diǎn)與別的電感式器件類似，但有幾個(gè)明顯的缺點(diǎn)：上電或初始狀態(tài)時(shí)輸入與輸出可能狀態(tài)不一致;對(duì)輸入噪聲敏感，伴隨一個(gè)噪聲尖峰，輸出不穩(wěn)定，有可能與輸入不一致，也可能一致，還可能會(huì)振蕩;對(duì)較緩的脈沖上升沿，輸出可能隨輸入變化，可能不變，還可能會(huì)振蕩;輸出有過(guò)沖;無(wú)直流校正功能，無(wú)法傳輸直流信號(hào)。NVE公司巨磁電阻隔離器件IL710的實(shí)現(xiàn)原理圖如圖5所示。

NVE公司IL710實(shí)現(xiàn)原理框圖

電容耦合隔離器件

電容耦合使用不斷變化的電場(chǎng)來(lái)通過(guò)隔離層實(shí)現(xiàn)信息傳輸。電容器極板之間的材料是電介質(zhì)絕緣體（二氧化硅），即隔離層，這種的絕緣體具有很穩(wěn)定的可靠性和性以及抗磁干擾能力和抗瞬態(tài)電壓能力。電極板的大小、板間距離以及電介質(zhì)材料決定了電氣特性。采用電容隔離層的優(yōu)勢(shì)是效率高，無(wú)論在體積、能量轉(zhuǎn)換還是在抗磁場(chǎng)干擾方面均如此。這種特性使得實(shí)現(xiàn)低功耗及低成本的集成式隔離電路成為可能?？垢蓴_性則使得器件可以在飽和或密集磁場(chǎng)環(huán)境下工作。與變壓器不同的是，電容耦合的缺點(diǎn)在于無(wú)差分信號(hào)，并且噪聲與信號(hào)共用同一條傳輸通道。這就要求信號(hào)頻率應(yīng)遠(yuǎn)高于可能出現(xiàn)的噪聲頻率，以便使隔離層電容對(duì)信號(hào)呈現(xiàn)低阻抗而對(duì)噪聲呈現(xiàn)高阻抗。如同電感耦合一樣，電容耦合也存在帶寬限制，并需要時(shí)鐘編碼數(shù)據(jù)。

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