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模拟信号隔离的法则

导读: 在电机和电子设计中经常需要对模拟信号进行隔离。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。

  在电机和电子设计中经常需要对模拟信号进行隔离。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]。

 

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