如何为物联网传感器选择合适的电流隔离技术---凯利讯半导体
新的IoT应用程序的发展使许多设计师面临着在传感器和其他电子设备之间提供电化(ohmic)隔离的挑战。这种隔离对于信号完整性、系统保护和用户安全至关重要，但是设计者必须从三个主要的隔离技术中挑选出来:磁性、光学和电容性屏障。
每个选项都有类似的性能特征，但在选择它们之间有细微的差别。为此，本文将讨论隔离在传感器中的作用，然后介绍各种选项、它们的不同特性以及如何应用它们。
它还将引入数字隔离，并提供更多数字隔离器的例子。
隔离的必需品
当传感器或传感器子电路“孤立”,之间没有电气路径和其余的电路,和一个基本的测量使用欧姆表将显示两个部分之间没有电流(图1)。由于这一障碍,面临的挑战是让信号从孤立子电路系统的其余部分。在许多情况下，还有一个额外的挑战:为孤立的子电路提供电源，而无需通过电源子系统“绕过路径”，这将抵消任何隔离。
图1:在一个孤立的系统中，没有接地的传感器和系统之间没有电流的路径(可能是接地的)，但某些类型的信息轴承能量必须从一边到另一边。
隔离的原因包括:
传感器是“浮动”的，不能与系统“接地”(系统“common”是一个更准确的术语，但是“ground”是这里常用的误称)。
即使系统是电池驱动的，与“交流地”没有连接，传感器输出也可以，如果是在高共模电压(CMV)之上。这个CMV将损坏其余的电子设备。例如，一个电池单元的电压，它位于一系列堆栈的顶部。
传感器可能无意中连接到高压电源，甚至是交流线路。这不仅会损害电子产品，还会让用户面临风险。
幸运的是，有一些可行的选择，可以实现模拟传感器隔离，提供低级别和高级别的隔离，从数以万计的电压到数千伏的电压。后者在诸如EV / HEVs这样的大众市场应用程序中是必要的，而且通常是为了监管安全任务。提供隔离使用的三种最常见的方法是使用磁力、光学和电容技术，每一种方法分别被评为> 1000伏特和更高。
这些技术在主要性能属性上有很大的重叠，但也有一些差异。在应用程序中哪个最合适的决定通常是困难的。
考虑的因素包括带宽、大小和足迹、成本、隔离等级(伏特)、长寿等级和个人“舒适”。“找到性能参数的正确平衡取决于应用程序。例如，电池监测不需要快速响应，而高速测试传感器则需要。
磁隔离:起始点
基于磁的隔离使用变压器，是最古老的技术;多年来，这是唯一的技术。隔离变压器通常有1:1的匝数比，而且可以相当小，因为它是传递信号而不是电源，耗散相当低。
由于变压器不能通过直流电，也不能很好地处理很低的频率(除非它有一个大的核心)，因此孤立的信号不能直接应用到主(输入)端。相反，传感器信号被放大，如果需要，然后用于调制一个更高频率的载波(振幅调制)，或者用于脉冲宽度调制(PWM)。
在输出(二次)侧，信号被解调，使用常规技术提取和恢复原始信号。隔离电源必须提供给主站，因此通常有独立的、专用的、孤立的侧供，而输出端使用系统轨。
一个早期的从模拟设备(图2)中提取的AD215是AD215。它的功能看起来像一个非隔离的op amp，但它提供1500 V(rms)隔离和120 kHz带宽。它包含一个信号调制器、变压器和信号解调器，以及一个隔离的直流电源。所有这些都需要提供电流隔离，但允许模拟信号从输入端传递到输出端。
图2:在AD215磁隔离器内是信号调制器、变压器和信号解调器，外加一个孤立直流电源。
设备±10伏特(V)输入/输出范围与指定增益范围1 V / V - 10 V / V,并包括一个内部,隔离DC / DC电源前端,因此不需要单独的供应。
虽然该AD215主要用于开关电源的反馈回路，但也可用于电压显示器、电机电流传感和大型电池系统，所有这些都在其400 kHz带宽之内(图3)。
图3:虽然主要用于开关电源的反馈回路中使用，AD215也可用于电压监视器、电机电流传感和大电池系统。这里显示的AD210是一个功能相同的AD215版本，但有一些放松的规范;AD620是精密仪器放大器。
在这种应用中，当测量电机的感应电阻器的电压来决定电流通过电机时，通常需要模拟隔离。这是必要的，因为感应电阻器不是地面参考，而是“漂浮”，而且可能在地面上有很高的潜力。
这些早期的基于磁性的隔离装置使用的是离散的变压器，因此相对来说比较大且昂贵。新设计使用的是与集成电路封装兼容的平面、共平面变压器的专有版本。例如，来自模拟设备的ADuM3190孤立的错误放大器被封装在一个16导的QSOP包中，但提供了2.5 kV的隔离级别。它的平面变压器的位置是平行的，以最大的能量传输(图4)。
图4:ADuM3190孤立的错误放大器被包装成看起来和处理像IC一样，但它包含硅模和一对平面变压器，它们彼此平行放置，以最大限度的能量传输。
虽然它看起来像一个标准的op amp，它实际上接收输入信号并使用它来生成一个PWM信号，它通过平面变压器。该PWM信号被解调，并在辅助侧过滤，以产生模拟输出信号。数据表包括标准的op放大器的相位和增益边界图(图5)。使用此设备(或类似设备)的设计者可以期望通过标准的放大器循环稳定性和相关的建模和仿真。Bode的情节将会有所帮助。
图5:虽然它有一个复杂的、孤立的内部架构，但从模拟设备上的ADuM3190似乎是传统的op amp
ADuM3190是额定−40°C + 125°C的环境工作温度,这是一个现实的目标应用程序。请注意，由于隔离元件是一个刚刚缠绕的导线，除非设备超出其规格，否则在传统意义上没有“磨损”机制。
然而，由于电压压力，所有的绝缘材料最终会在相当长的一段时间内破裂，其退化率是在电压势垒中应用的电压波形的大小和类型的函数。对于ADuM3190，供应商保证50年的寿命，即使在最大额定双相交流波形，这比单极AC或同等量级的直流电压更有压力。
光学隔离:新选项
替代磁隔离是光学隔离,这是概念上很简单:输入端驱动LED,LED影响着co-packaged光电晶体管的输出,和光电晶体管输出电流(图6)。和领导之间的短光路光电晶体管内包提供所需的电隔离。
图6:一个光隔离器需要两个活性元素:一个LED到源IR，一个光电晶体管将接收到的光子转换成电流。在包内的光路提供了电流隔离。
与基于转换的隔离一样，使用PWM或其他方法将输入信号用于在数字模式中对LED电流进行调制。Broadcom(Avago)acpl - c87b /C87A/ C870系列光学隔离放大器是一种很好的设备，可以在当前的感觉电阻上用于电压传感(图7)。
图7:Broadcom acpl - c87b /C87A/ C870家庭目标低电平电压下的光隔离器，并使用带有斩波稳定放大器的sigmag - delta调制来精确、准确、一致性。(图片来源:博通)
光电隔离器在这个家庭有一个2伏特输入范围和高1 GΩ输入阻抗。这些规格使它们适合于电力转换器应用中的孤立电压传感要求，包括电机驱动和可再生能源系统。设备将光耦合技术以及法(Σ-Δ)调制,直升机稳定放大器,和微分输出提供高隔离模式干扰抑制,补偿低、增益高的准确性和稳定性。这些都被安置在一个延伸的so - 8(sso - 8)包中。
设备适合电源转换器的应用程序由于其100千赫带宽(图8)和高共模瞬态免疫力(15千伏/µs)。这种瞬变与运动驱动是很常见的。
图8:利用其内部sigmag - delta模拟-数字转换技术，Broadcom acpl - c87b /C87A/ C870系列光学隔离放大器很容易达到100 kHz带宽，平面响应为100khz。
电容性隔离:最新的选择
另一种隔离技术使用电容和隔离电容器的“板块”之间的一分钟间隔。由于集成电路和封装技术的进步，近年来该技术已经变得可行且具有成本效益。一个很好的实现例子是德州仪器ISO124。这是一个精确的隔离放大器，它的输入和输出部分是通过匹配的1picofarad(pF)电容在soic - 16(或soic - 18)表面上安装塑料封装。
像其他模拟隔离放大器一样，它的高级功能图很简单(图9)。
图9:模拟隔离放大器常用的符号是在ISO124数据表上使用的“分割”运算放大器。这清楚地表明输入和输出部分有它们自己的独立的“根据”(尽管“common”将是一个更正确的名称)。
与此同时，详细的框图显示了用户内部和不可见的复杂性(图10)。
图10:与磁性和光学隔离装置一样，ISO124中有相当数量的模拟和数字电路使其独特的电容式隔离操作。
ISO124输入是一个循环调制的，并通过数字传输跨越障碍。输出部分接收调制信号，将其转换回模拟电压，消除解调中固有的波纹元件。最大非线性特性0.010%,50 kHz信号带宽,和200年微伏(μV)/°C VOS漂移,并且需要一个电源在±4.5 V和±18 V。
与非孤立的op amps一样，数据表既有表数据，也有在各种条件下的正弦波形和阶跃响应性能的图形信息(图11)。这些隔离设备的潜在用户需要研究数据和图表，以确保设备性能与应用程序的需求相匹配。
图11:由于ISO124模拟装置的类似op amp性质，设计者需要密切关注许多图形和表，包括标准的正弦和阶跃响应图。
ISO124非常适合低速应用，例如将信号从电阻温度检测器(RTD)和热电偶温度传感器中分离到接收器端4 -20 mA电流环上，并将其转化为电压(图12)。
图12:ISO124用于通过标准的4 -20 mA电流环隔离RTD，并将当前信号转换成0 -5 V信号以控制系统的兼容性。
温度测量应用程序通常要求传感器与系统电路的其他部分隔离，因为它们可能是直接固定的高电压点，比如汽车外壳。然后，系统模数转换器(ADC)用于读出或闭环控制，这两种情况都是常见的工业情况。
做这个决定
所有三种模拟隔离技术——磁性、光学和电容——都能在合适的条件下提供优异的结果。设计师的困境变成了如何在特定的情况下决定“最佳”。
考虑的因素包括带宽、预期寿命(故障时间或磨损时间)、大小和功率要求。每个隔离技术可以平衡这些属性，并可以提供特定的产品，在家庭中进行不同的权衡，从而使决策更加复杂。
关于电压隔离的数量，这三种类型都被认证为至少1 kV(有些达到5 kV，甚至更高)，并符合相关的监管标准(IEEE,VDE,CIE,UL,CSA)。因此，最大的隔离电压对大多数物联网应用来说并不是问题。如果这成为一个问题，专用隔离器可以获得更高的电压。
对于每一种隔离技术，都有一些一般性的陈述，但对于每一个声明都有例外，而且每个技术的供应商都能有效和合理地解释为什么他们的方法更好。一般来说:
磁隔离具有很长的寿命，它的被动阻挡层可以承受比持续电压等级高得多的冲击和峰值。然而，由于磁场的感应耦合，它容易受到外界磁场的干扰。一些更新的设计成功地将这个问题最小化到这样的程度，使这些单位能够通过行业标准测试来证明这种干扰易感性。
光学隔离对电磁噪声有很高的免疫力，但由于LED开关速度、功率耗散和LED磨损等原因，其速度适中。最后一个问题是最严重的问题，因为led在正常使用中经历了退化(暗调)，典型的半亮度周期大约为10年。然而，像Broadcom / Avago这样的公司已经在LED材料领域推动了这种技术的发展，因此保证能够满足20年的规范，这通常足以满足这种情况。
电容性隔离对磁噪声有很高的免疫力，与光学隔离相比，它可以支持更宽的带宽，因为没有需要切换的led。实际上，大多数物联网传感器的应用都是低带宽的。电容耦合还涉及到利用电场进行数据传输，因此它容易受到外界电场的干扰。
模拟与数字隔离
到目前为止，我们已经研究了IoT传感器的模拟隔离技术(图13)。
图13:在模拟隔离拓扑中，传感器信号仍然是模拟信息(不管隔离器本身发生了什么)，直到它到达非孤立的一端，在那里可以转换为数字格式以供进一步使用。
然而，有一种基本的架构替代方法:数字隔离，模拟传感器的输出在隔离的一侧进行条件和数字化，然后数字输出通过数字隔离屏障(图14)。
图14:另一种通常有吸引力的方法是将信号在孤立的一侧进行数字化，然后通过数字隔离屏障传递转换结果。与模拟隔离设计相比，这允许一个非常不同的隔离函数实现。
与模拟隔离一样，这个障碍可以使用三种技术中的任何一种，但它们的内部设计是专门针对数字信号进行优化的，通常可以支持数十兆比特的数据。此外，对于数字隔离，有一种新的第四类选项，它使用调制的射频载波，而不是调制(LED)光。来自硅实验室的Si863x系列是这种设备的一个很好的例子(图15)。
图15:来自硅实验室的Si863x系列数字隔离器使用一种调制的射频载波，而不是光在提供隔离时携带信号。
随着ADCs的成本下降，供应商在I2C和LVDS等接口上标准化，使用数字隔离变得更加有吸引力。缺点是在孤立的方面需要更多的电路。这意味着需要更多的孤立电力，增加成本和足迹。
然而，低功率高性能ADCs的进步使这个问题变得不那么严重了。标准接口数字隔离器，例如I2C的1 MHz ADUM1250和LVDS的600mbit /sec ADN4651，都是模拟设备，简化了这个设计方案。在他们的多芯片集成电路封装中也有集成的隔离，例如16位模拟设备AD7401A，使整个转换和隔离过程对用户透明。
最后，还有多通道隔离的问题。许多IoT应用程序只有一个或两个需要隔离的传感器，而另一些则可能有4个、8个甚至更多。在这些情况下，单独的模拟隔离器可能太大，成本太高，而且电力供应紧张，
另一种方法是使用多通道ADC或一个带有前端多路复用器的单一通道设备，所有的都在隔离的一侧，以更高的速度数字隔离来传输结果。这可能比单通道隔离更有动力、空间和成本效益。
结论
在许多物联网应用中，模拟传感器隔离是信号完整性、系统安全性和用户保护的关键问题。三个可行的相互竞争的技术可以实现隔离，每个技术在性能上有许多相似之处，但有一些细微的差别。数字隔离，传感器数字化在孤立的方面，也是一个可以考虑在许多应用中考虑的选项。