模拟信号隔离法则

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在电机和电子设计中经常需要模拟信号隔离。 模拟信号可以承载代表电压、电流、温度、压力、位置和流量等物理世界的信息，这些模拟信号通常必须在具有较大电平差，或者模块接地面间具有感应电气噪声的 场合，由一个电路模块传送到另一个。这些常见的电路问题可能会影响数据的精确性、破坏测量系统，甚至于威胁到使用者的安全。
隔离放大器提 供了一个可以解决这些问题的简单且高性价比的方案。这个方案通过采用Sigma-Delta模数转换器和光电耦合技术，在电气隔离屏障后精确地重建输入信 号。采用微型化可自动插入封装供货，使用这些隔离放大器进行设计就如同将信号连接到输入并取得隔离后输出一样简单(参见图1)。

图1：隔离放大器在模拟信号隔离电路中的使用。

部 分使用隔离放大器的应用包括模数转换接口、热电偶和转换器等感应电路、病患监测设备、电机速度和位置测量电路、音频和视频放大器，以及电源供应器中的电压 反馈等。图2显示了隔离放大器应用在电机控制系统中作为电流传感器的典型应用，基于这个电路，我们将讨论几个“应该和不应该”的做法，帮助大家利用隔离放 大器轻松实现模拟信号隔离设计。

图2：电机控制电路中使用的隔离放大器电流传感器。

电源供电
应 该为隔离放大器VDD1和VDD2提供独立电源   在图2的电路中，来自于高压(或高电位)端的信号必须和低压(低电位)端隔离，同样的VDD1和VDD2电源也一样需要隔离。在这个例子中，高电压端电源 VDD1可以由推动高电压端功率晶体管的电源供应器取得，而在低电压端，VDD2则可以连接到通常会和交流市电隔离的控制器电源。同样的，GND1和 GND2也应该各自独立。
不应该忽略VDD1和VDD2的旁路电容   ACPL-C78X使用Sigma-Delta过采样技术将模拟输入信号转换为可以通过光学屏障传送的高速位流，在输出端，这个位流再通过模拟滤波器过滤 并重建输入信号。需要旁路电容的主要原因在于隔离放大器中信号的高速数字特性。在印刷电路板上，旁路电容C1和C3必须尽可能地接近各自的隔离放大器引 脚。
注应该意电源接脚上的电压瞬变   电源连接线上过大的电压瞬变可能造成电气过载情况下器件的损坏，电源引脚上的浪涌也可能会触发器件进入锁定(latch-up)状态。除了在电源引脚上连 接旁路电容外，也可以通过其他方式来减轻电源上的噪声和纹波，例如在稳压器的输入上串接一个电阻或电感，就可以和稳压器的输入旁路电容形成一个低通滤波器 来减轻纹波。
连接输入端
应该在输入端加入RC抗混叠滤波器   在输入端加入抗混叠滤波器，如图2中由R2和C2所构成的RC低通滤波器，可以避免高频噪声混叠到较低频率，造成输入信号的干扰。RC低通滤波器也在可靠 性上扮演了非常重要的角色，它可以有效减轻静电放电和电气过载时流经隔离放大器输入电路的瞬变浪涌。
应该采用差动输入模式以 取得较佳共模噪声抑制能力   在图2中，ACPL-C78X采用了单端输入方式连接。由于该隔离放大器拥有全差分式输入结构，因此建议使用差分输入连接方式，如图3中的平衡输入模式来 取得较好的性能。两根引脚上信号取样时的开关动作所带来的输入电流会在滤波器电阻上取得平衡并且相互抵消，感应到其中任何一根引脚上的噪声会通过电容C耦 合到另一根而形成共模噪声，隔离放大器对此共模噪声加以抑制从而防止其对输出信号造成干扰。RA和RB的典型值为22Ω，C则为10nF。

图3：经过简化的差分输入连接。

在高噪声应用中使用隔离放大器应该注意闩锁效应   CMOS器件的闩锁效应风险必须要仔细考虑，特别是直接连接到易受经常出现瞬变噪声影响的信号源时。ACPL-C78X的模拟输入结构在设计上考虑了经常 发生在高噪声应用环境，例如电机驱动设备和其他电源逆变系统中的瞬变和浪涌，其它可能在输入上造成电压瞬变的场合包括短路和过载。ACPL-C78X经过 -2V到6V的直流电压测试，加上高达-6V的瞬变电压两秒钟，并未发生闩锁反应或器件受损的情况[1]。
应该检查VIN+ 和VIN-到GND1接地的输入共模电压   隔离放大器的差模输入采用全差分开关电容电路实现。与使用具备差分式输入的隔离放大器和模数转换器类似，设计工程师必须了解通常会在数据手册中标明的输入 共模电压。举例来说，ACPL-C78X的产品数据手册就标明VIN+和VIN-的工作输入电压限制为±2V，超过这个限制就可能会损害增益和系统的性能 [1]。
隔离
不应该混淆隔离电压和工作电压   在设计模拟信号隔离电路时，设计工程师必须考虑到隔离放大器的隔离电压和连续工作电压，以确保产品符合相关的安全标准。隔离电压代表了在输入和输出上可以 短暂承受的电压大小，依UL 1577标准，Avago的每一个隔离放大器都通过加上大于或等于1.2倍额定电压一秒钟进行验证和安全性测试，泄漏电流?   5μA，例如通过5000Vrms[2]验证的ACPL-C78A在批量生产测试中，每个器件都以≥6000Vrms进行一秒钟测试。隔离电压是一个不应 该被视为输入输出连续电压的绝缘电压规格。
工作电压则是系统保证可以持续安全工作而不会伤害隔离屏障的最高电压值，依 IEC/EN/DIN EN  60747-5-2，ACPL-C78X系列的最高工作绝缘电压为1140Vpeak，并且可以在806Vrms下连续工作。如果需要1000Vrms的 工作电压，那么可以使用HCNR201[3]，如果891Vpeak就可以满足设计要求，HCPL-7800A[4]也可以是一个选择。HCNR201和 HCPL-7800A都是安华高科技公司所提供的高线性模拟光电耦合器产品。
电流感应的分流器选择
搭 配分流电阻，隔离放大器可以形成隔离电流传感器，分流器的选择通常是在最低功耗和最大精确性间进行折中。较小的电阻值可以降低功率耗损，但较大的电阻值则 可以通过使用隔离放大器的完整输入范围来改善电路的精确性。由分流器在正常工作情况下可以承受的峰植电流和隔离放大器的目标输入范围，我们可以使用欧姆定 律来计算出分流电阻的大小。
应该注意分流电阻随温度和时间的漂移   在决定分流电阻值后，我们还必须仔细考虑有关电阻本身误差和稳定性限制等相关的重要参数，在典型的电流感应应用环境中，使用?1%误差的产品基本上已经足 够，如果需要更高的精确性，也可以选择?0.1%甚至误差更低的产品，或者采用调校方式来消除初始误差。
调校可以将分流电阻 本身误差值所带来的测量误差消除，但却无法解决因温度和时间所造成的电阻漂移问题。电阻的温度系数(TCR)是用来描述特定温度范围内因环境温度改变所造 成的电阻值变化，50ppm/oC的分流电阻是常见的选择，市面上也提供有10ppm/oC的分流电阻产品，我们可以参考相关的产品数据手册对它的工作条 件进行研究，并留意有时可能出现的非线性响应。
不应该只注意标称功率规格   分流器的额定功率是一个非常重要的选择条件，在设计中，分流器上的功率消耗可以通过I(rms)2xR得出，脉冲电流所造成的功率耗损也应该加入计算。查 看分流电阻规格时，如果考虑到环境温度，设计工程师必须注意标称额定功率外的情况，并参考功率下滑曲线。另外，和直接采用气流散热的产品比较，部分分流电 阻还可以加上散热片来有效强化可以处理的功率等级，因此最好使用具备足够功率处理能力的分流电阻以保留设计的安全余裕空间。
参考文献：
[1] ACPL-C78A, ACPL-C780, ACPL-C784 微型化隔离放大器产品数据手冊。 Avago Technologies Publication No. AV02-1436EN。
[2] UL 档案号：E55361 ()。
[3] HCNR200和HCNR201高线性模拟光电耦合器产品数据手册。Avago Technologies Publication No. AV02-0886EN。
[4] HCPL-7800A/HCPL-7800隔离放大器产品数据手册。Avago Technologies Publication No. AV02-0410EN。