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电容式数字隔离器的简化设计方案

今朝,有关电子设备应用和设计的安然规定层出不穷,使电流隔离器险些成为所稀有据采集和传输系统中的必需。避免节制系统低压电路在电场中遭受潜在的传感器和传动器组件高压侵害的一种措施,便是应用数字隔离器

本文的目的在于奉告大年夜家若何简化隔离系统设计,文章除描述电容式数字隔离器的基础功能,具体先容若何在旌旗灯号通路中安装隔离器外,还就如成功设计电路板供给了一些有代价的参考意见。

电容式数字隔离器的基础功能

图1显示了一个电容式数字隔离器的简化布局图,该隔离器由一个高速旌旗灯号路径和一个低速旌旗灯号路径组成。高速路径(蓝色部分)传输100kbps至150Mbps的旌旗灯号,而低速路径(橙色部分)则传输100kbps以下旌旗灯号至dc。

图 1 电容式数字隔离器的简化布局图

蓝色部分所示路径中处置惩罚的高速旌旗灯号被电容式隔离势垒分为多个快速瞬变脉冲群。随后的触发器(FF)将这些瞬态脉冲群转换成波形和相位均与输入旌旗灯号同等的脉冲。内部看门狗(WD)反省高速旌旗灯号边缘的周期性。在低频输入旌旗灯号环境下,继续旌旗灯号边缘间的持续光阴越过了看门狗窗口。这样便迫使看门狗将输出开关位置从高速路径(位置1)改变为低速路径(位置2)。

低速路径比高速路径多出几个功能元件。由于低频输入旌旗灯号要求隔离势垒禁止采纳大年夜电容,以是输入旌旗灯号被用于对内部振荡器(OSC)的载波频率进行脉宽调制(PWM)。这就构成了一个异常高的频率,能够经由过程该电容势垒。因为输入获得了调制,是以必须在实际数据传输至输出端曩昔应用低通滤波器(LPF)去除此中的高频载波。

在旌旗灯号链中的安装位置

数字隔离器分为单通道、双通道、三通道及四通道器件,可以实现单向和双向运行,它们的共有特点如下:

- 不相符任何特定接口标准;

- 应用3V/5V逻辑开关技巧

- 专为电隔离数字、单端(SE)数据线而设计

虽然着末一点彷佛是设计上的限定,然而图2却显示了若何对多种接口进行隔离,此中包括低压 SPI、高压RS232、差分USB和差分CAN/RS485。

图 2 数字隔离器必须安装在隔离接口的单端部分中

所有接口都有一个相同点,那便是数字隔离器必须安装在隔离接口的单端3V/5V部分。

因为数字隔离器都具有1到2ns的升降光阴,是以它们在长旌旗灯号走线环境下每每易呈现旌旗灯号反射,其特点阻抗与隔离器输出的源阻抗不匹配。是以,我们建议在其响应数据接管装配和数据源(例如:节制器、驱动器、接管器和收发器等)相近安装一个隔离器。在设计中假如无法这样做,那么就必须应用受控的阻抗传输线。

PCB 设计指南

就数字电路板而言,要应用标准FR-4环氧玻璃作为PCB材料,这是因为比拟那些廉价材料,其不只相符UL94-V0要求,而且还拥有更少的高频介电损耗、更低的吸湿性、更大年夜的强/硬度以及更高的阻燃特点。

要实现低电磁滋扰(EMI)的PCB设计,这里保举一个起码四层的设计实例(请拜见图3),其从上到下分手为:高速旌旗灯号层、接地层、电源层以及低频旌旗灯号层。

图 3 保举的四层板叠层

在顶层部署高速走线为隔离器及其响应的驱动器供给了一清二楚的连接。高速走线要短,并避免应用过孔,以此包管高速走线电感最低。

紧接着高速旌旗灯号层放置一个平衡板面地线层,以确保接地层和旌旗灯号走线之间存在强大年夜的电气耦合。这样便建立起传输线互联的受控阻抗,同时也极大年夜地削减了EMI。终极,平衡板面地线层为回流供给了一个异常好的低电感路径。

将电源层置于接地层下面。这两个参考层构成了一个大年夜约为100pF/in2的附加高频旁路电容器

在底层布线低速节制旌旗灯号。这些旌旗灯号链路拥有足够的余量来遭遇过孔引起的中断,从而实现了更大年夜的机动性。

受控阻抗传输线是特点阻抗Z0始终受控于其几何特点的走线。走线长度大年夜于15mm(tr=1ns)和 30mm(tr=2ns)时,走线阻抗必须要与隔离器输出阻抗Z0~rO匹配(如图4所示),使旌旗灯号反射最小化。这被称为源阻抗匹配。

图 4 源阻抗匹配:Z0 ~ rO

隔离器的动态输出阻抗r0,可以经由过程隔离器数据手册中列出的近似电压-电流输出特点线性部分获得。一样平常来说,标准输出阻抗大年夜约为70Ω。是以,对一条标准的2盎司镀铜线和电介质为4.5的FR-4而言,接地层上8mm宽、10mm长的走线几何外形会孕育发生所需的70Ω特点阻抗。

布线指南

建议遵照下列几条主要的布线原则,以维持旌旗灯号完备性和低EMI。

为了将串扰降至10%以下,需维持旌旗灯号走线是高速旌旗灯号层到接地层间隔的三倍(d=3h)。旌旗灯号走线下的回流密度遵照1/[1+(d/h)2]函数,是以其在d》3h点上的密度会异常低,从而避免左近走线中呈现较大年夜的串扰(请拜见图5)。

图 5 使用 d = 3h 来最小化串扰

应用45度走线弯曲(或者斜切式弯曲)而非90度弯曲,可维持有效的走线阻抗并避免旌旗灯号反射。

为了实现在噪声情况下的事情,将隔离器的闲置启动输入经由过程一个电阻器(1kΩ到10kΩ)连接到相宜的参考层。将高电平有效、高位容许输入连接到电源层,同时将低电平有效输入连接至接地层。

当过孔电感增添旌旗灯号路径电感时,要避免各层随快速旌旗灯号走线改变。

在隔离器与周围电路之间应用较短的走线长度可避免噪声引入。数字隔离器平日会带有隔离式DC/DC转换器,后者供给了超过隔离层的电源。因为隔离器的单端传输旌旗灯号对噪声引入过于敏感,是以左近DC/DC转换器的开关噪声可以很轻易被长旌旗灯号走线引入。

将大年夜容量电容(比如10μF)置于接近电源如稳压器旁,或是在电源进入PCB的地方。

经由过程将电容的电源端直接连接至器件的电源端,然后颠末孔连至Vcc层,在器件上安装小容量的0.1μF或0.01μF旁路电容。经数个过孔将电容接地端连接至接地层(请拜见图6)。

图 6 将旁路电容直接连接至 Vcc 终端

将多个过孔用于连接旁路电容和其他保护器件(例如:瞬态电压抑制器和齐纳二极管),从而最小化接地连接的过孔电感。

总结

只管关于PCB设计的资料有很多,但本文主要供给一些涉及数字隔离器电路板设计的建议。遵照这些建议将有助于在最短的光阴内完成一个相符EMC标准要求的电路板设计。

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