利用隔離放大器實現模擬信號隔離的幾個設計原則

在電機和電子設計中經常需要對模擬信號進行隔離。模擬信號可以承載代表電壓、電流、溫度、壓力、位置和流量等物理世界的信息，這些模擬信號通常必須在具有較大電平差，或者模塊接地面間具有感應電氣雜訊的場合，由一個電路模塊傳送到另一個。這些常見的電路問題可能會影響數據的精確性、破壞測量系統，甚至於威脅到使用者的安全。　　隔離放大器提供了一個可以解決這些問題的簡單且高性價比的方案。這個方案通過採用Sigma-Delta模數轉換器和光電耦合技術，在電氣隔離屏障後精確地重建輸入信號。採用微型化可自動插入封裝供貨，使用這些隔離放大器進行設計就如同將信號連接到輸入並取得隔離後輸出一樣簡單（參見圖1）。　　

圖1：隔離放大器在模擬信號隔離電路中的使用　　部分使用隔離放大器的應用包括模數轉換介面、熱電偶和轉換器等感應電路、病患監測設備、電機速度和位置測量電路、音頻和視頻放大器，以及電源供應器中的電壓反饋等。圖2顯示了隔離放大器應用在電機控制系統中作為電流感測器的典型應用，基於這個電路，我們將討論幾個「應該和不應該」的做法，幫助大家利用隔離放大器輕鬆實現模擬信號隔離設計。　　

　　圖2：電機控制電路中使用的隔離放大器電流感測器電源供電應該為隔離放大器VDD1和VDD2提供獨立電源 在圖2的電路中，來自於高壓（或高電位）端的信號必須和低壓（低電位）端隔離，同樣的VDD1和VDD2電源也一樣需要隔離。在這個例子中，高電壓端電源VDD1可以由推動高電壓端功率晶體管的電源供應器取得，而在低電壓端，VDD2則可以連接到通常會和交流市電隔離的控制器電源。同樣的，GND1和GND2也應該各自獨立。　　不應該忽略VDD1和VDD2的旁路電容 ACPL-C78X使用Sigma-Delta過採樣技術將模擬輸入信號轉換為可以通過光學屏障傳送的高速位流，在輸出端，這個位流再通過模擬濾波器過濾並重建輸入信號。需要旁路電容的主要原因在於隔離放大器中信號的高速數字特性。在印刷電路板上，旁路電容C1和C3必須儘可能地接近各自的隔離放大器引腳。　　注應該意電源接腳上的電壓瞬變 電源連接線上過大的電壓瞬變可能造成電氣過載情況下器件的損壞，電源引腳上的浪涌也可能會觸發器件進入鎖定（latch-up）狀態。除了在電源引腳上連接旁路電容外，也可以通過其他方式來減輕電源上的雜訊和紋波，例如在穩壓器的輸入上串接一個電阻或電感，就可以和穩壓器的輸入旁路電容形成一個低通濾波器來減輕紋波。連接輸入端應該在輸入端加入RC抗混疊濾波器 在輸入端加入抗混疊濾波器，如圖2中由R2和C2所構成的RC低通濾波器，可以避免高頻雜訊混疊到較低頻率，造成輸入信號的干擾。RC低通濾波器也在可靠性上扮演了非常重要的角色，它可以有效減輕靜電放電和電氣過載時流經隔離放大器輸入電路的瞬變浪涌。　　

應該採用差動輸入模式以取得較佳共模雜訊抑制能力 在圖2中，ACPL-C78X採用了單端輸入方式連接。由於該隔離放大器擁有全差分式輸入結構，因此建議使用差分輸入連接方式，如圖3中的平衡輸入模式來取得較好的性能。兩根引腳上信號取樣時的開關動作所帶來的輸入電流會在濾波器電阻上取得平衡並且相互抵消，感應到其中任何一根引腳上的雜訊會通過電容C耦合到另一根而形成共模雜訊，隔離放大器對此共模雜訊加以抑制從而防止其對輸出信號造成干擾。RA和RB的典型值為22Ω，C則為10nF。

　

　圖3：經過簡化的差分輸入連接

在高雜訊應用中使用隔離放大器應該注意閂鎖效應 CMOS器件的閂鎖效應風險必須要仔細考慮，特別是直接連接到易受經常出現瞬變雜訊影響的信號源時。ACPL-C78X的模擬輸入結構在設計上考慮了經常發生在高雜訊應用環境，例如電機驅動設備和其他電源逆變系統中的瞬變和浪涌，其它可能在輸入上造成電壓瞬變的場合包括短路和過載。ACPL-C78X經過-2V到6V的直流電壓測試，加上高達-6V的瞬變電壓兩秒鐘，並未發生閂鎖反應或器件受損的情況。　　應該檢查VIN+和VIN-到GND1接地的輸入共模電壓 隔離放大器的差模輸入採用全差分開關電容電路實現。與使用具備差分式輸入的隔離放大器和模數轉換器類似，設計工程師必須了解通常會在數據手冊中標明的輸入共模電壓。舉例來說，ACPL-C78X的產品數據手冊就標明VIN+和VIN-的工作輸入電壓限制為±2V，超過這個限制就可能會損害增益和系統的性能。隔離不應該混淆隔離電壓和工作電壓 在設計模擬信號隔離電路時，設計工程師必須考慮到隔離放大器的隔離電壓和連續工作電壓，以確保產品符合相關的安全標準。隔離電壓代表了在輸入和輸出上可以短暫承受的電壓大小，依UL 1577標準，Avago的每一個隔離放大器都通過加上大於或等於1.2倍額定電壓一秒鐘進行驗證和安全性測試，泄漏電流？ 5μA，例如通過5000Vrms驗證的ACPL-C78A在批量生產測試中，每個器件都以≥6000Vrms進行一秒鐘測試。隔離電壓是一個不應該被視為輸入輸出連續電壓的絕緣電壓規格。　　工作電壓則是系統保證可以持續安全工作而不會傷害隔離屏障的最高電壓值，依IEC/EN/DIN EN 60747-5-2，ACPL-C78X系列的最高工作絕緣電壓為1140Vpeak，並且可以在806Vrms下連續工作。如果需要1000Vrms的工作電壓，那麼可以使用HCNR201，如果891Vpeak就可以滿足設計要求，HCPL-7800A也可以是一個選擇。HCNR201和HCPL-7800A都是安華高科技公司所提供的高線性模擬光電耦合器產品。電流感應的分流器選擇搭配分流電阻，隔離放大器可以形成隔離電流感測器，分流器的選擇通常是在最低功耗和最大精確性間進行折中。較小的電阻值可以降低功率耗損，但較大的電阻值則可以通過使用隔離放大器的完整輸入範圍來改善電路的精確性。由分流器在正常工作情況下可以承受的峰植電流和隔離放大器的目標輸入範圍，我們可以使用歐姆定律來計算出分流電阻的大小。

　　

應該注意分流電阻隨溫度和時間的漂移 在決定分流電阻值後，我們還必須仔細考慮有關電阻本身誤差和穩定性限制等相關的重要參數，在典型的電流感應應用環境中，使用？1%誤差的產品基本上已經足夠，如果需要更高的精確性，也可以選擇？0.1%甚至誤差更低的產品，或者採用調校方式來消除初始誤差。

　　

調校可以將分流電阻本身誤差值所帶來的測量誤差消除，但卻無法解決因溫度和時間所造成的電阻漂移問題。電阻的溫度係數（TCR）是用來描述特定溫度範圍內因環境溫度改變所造成的電阻值變化，50ppm/oC的分流電阻是常見的選擇，市面上也提供有10ppm/oC的分流電阻產品，我們可以參考相關的產品數據手冊對它的工作條件進行研究，並留意有時可能出現的非線性響應。

不應該只注意標稱功率規格 分流器的額定功率是一個非常重要的選擇條件，在設計中，分流器上的功率消耗可以通過I（rms）2xR得出，脈衝電流所造成的功率耗損也應該加入計算。查看分流電阻規格時，如果考慮到環境溫度，設計工程師必須注意標稱額定功率外的情況，並參考功率下滑曲線。另外，和直接採用氣流散熱的產品比較，部分分流電阻還可以加上散熱片來有效強化可以處理的功率等級，因此最好使用具備足夠功率處理能力的分流電阻以保留設計的安全餘裕空間。

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