無干擾數(shù)據(jù)通信和個人安全是電子技術在典型工業(yè)環(huán)境中面臨的兩大挑戰(zhàn)。強烈的電磁場、過電壓、瞬態(tài)電壓和高電磁兼容性(EMC)干擾是今天的事情。例如,如果通信電纜不順利地靠近頻率逆變器的控制電纜,則脈沖被電容耦合,通信電纜中的信號與頻率逆變器的脈沖模式振蕩。這種干擾可以很快達到可能發(fā)生嚴重故障甚至危及人員安全的程度。

例如,當用熱電偶測量電動機的溫度時,產(chǎn)生毫伏范圍內(nèi)的電壓。如果這些電壓現(xiàn)在通過數(shù)米長的電纜傳輸?shù)揭粋€中心控制單元,該控制單元指的是不同的地球電位,那么測量信號就會被電位差扭曲。

如果我們總結上述現(xiàn)象,就會出現(xiàn)以下四個挑戰(zhàn):

· 危險電壓與使用者之間的安全屏障

· 空間電路間地面循環(huán)的分離

· 盡量減少共同模式的干擾

· 無干擾數(shù)據(jù)傳輸

圖1以圖表形式顯示數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的情況。為了滿足保護用戶危險電壓的要求,并保證無干擾數(shù)據(jù)的傳輸,必須實現(xiàn)電隔離,以隔離區(qū)域,即。,就潛力而言----以便它們能夠單獨工作,從而不受干擾。數(shù)據(jù)流通過數(shù)字隔離器運行。然而,電流隔離可以防止干擾和電位均衡電流

圖1:分離不同電位的孤立系統(tǒng)的基本概念

單獨測量電池電壓

分散記錄物理參數(shù)是目前的最新技術。然而,在對象上記錄數(shù)據(jù)往往是一個挑戰(zhàn),而且數(shù)據(jù)的無線傳輸往往是不可能的。數(shù)據(jù)必須記錄在物體上,使探測器不影響要測量的變量;否則,將會發(fā)生測量錯誤。這就要求在電路中實現(xiàn)電氣脫鉤。此外,數(shù)據(jù)的有線傳輸必須是無電位和對稱的,以便傳輸不受電磁耦合和接地環(huán)的干擾。在這個應用程序中,有意避免使用微控制器,以證明一個強大的,無干擾的設計可以實現(xiàn)很少努力使用模擬電路技術。

設計分為兩個電路:一個發(fā)射器和一個接收器。該傳感器能夠檢測到等于30伏的直流電壓。 最大值有一秒鐘的波動。目前的耗電量最小化了,15V的電力供應是發(fā)射機的85MA和接收機的25MA。發(fā)射機和接收機都是電隔離的--測量數(shù)據(jù)采集和信號傳輸路徑之間的發(fā)射機,以及信號傳輸路徑和數(shù)據(jù)輸出之間的接收機。采用特殊的直流/直流電源模塊和帶電流隔離和低寄生耦合電容的數(shù)字隔離器實現(xiàn)了電路中的隔離。該信號通過一條雙線電纜在發(fā)射機和接收機之間傳輸。根據(jù)電磁環(huán)境的影響,距離可以是幾百米.

發(fā)射電路設計

圖2顯示了發(fā)射機的框圖。電路分為六個街區(qū):

· 檢測:測量傳感器與分壓器和放大器測量正極性和負極性(1)

· 級轉換器:電壓-射頻轉換器級轉換器(2)

· 電壓-射頻轉換器:數(shù)字輸出信號,頻率取決于輸入電壓(3)

· 數(shù)字隔離器:測量電位和接口之間的電隔離(4)

· 接口緩沖:低阻線驅動器與平衡輸出(5)

· 電源:直流/直流轉換器,探測頭(6)段的電流隔離轉換器

為確保功能可靠性,在探針側和驅動輸出端都提供了瞬態(tài)保護和濾波器的措施;在直流/直流電源模塊前后也提供了低通濾波器,以有效地減弱射頻耦合。

圖2:電位無電壓測量發(fā)射機的框圖

接收器電路設計

圖3顯示了接收器的框圖。電路分為五個街區(qū):

· 輸入緩沖區(qū):信號接收,信號調(diào)節(jié)與均衡輸入.鏈接檢測器指示是否與發(fā)射機(1)有可檢測的連接。

· 數(shù)字隔離器:輸入信號與二次信號處理/輸出接口之間的電流隔離。輸入側緩沖區(qū)(2)的額外電流隔離電壓。

· 頻率到電壓轉換器:從數(shù)字信號產(chǎn)生輸出電壓。電壓水平取決于輸入信號(3)的頻率.

· 具有極性顯示的接口緩沖:輸出信號的電平轉換器.輸出信號具有正極性,極性指示器顯示輸入信號(4)的極性。

· 電源:用于二次電源(5)的直流/直流轉換器。

在接收人一節(jié)中也提供了許多緊急情況控制措施。從繞對電纜上輸入的信號具有瞬態(tài)保護和共模濾波器,可以有效地減弱電纜上的干擾。它周圍的電力供應?直流轉換器 在輸入端和輸出端均配備了低通濾波器,以顯著減少直流/DC轉換器開關操作所引起的來自電路內(nèi)外的電磁干擾。這確保了高信噪比和高水平的功能可靠性。

圖3:電位無電壓測量接收機的框圖

電容式數(shù)字隔離器

數(shù)字隔離器來自于 由主側的振蕩器和調(diào)制器組成。第二方是解調(diào)器和信號緩沖區(qū)。主側的組件通過電容式結構與次級側的組件電隔離,該電容式結構由硅氧化硅制成的隔離屏障 .該信號通過隔離屏障傳輸,采用的是一種被稱為"開鎖"(OOK)的調(diào)制過程。集成到芯片中的振蕩器被用來調(diào)節(jié)輸入信號,通過施密特觸發(fā)器運行。調(diào)制器產(chǎn)生一個差動信號,通過電容絕緣線路傳輸。

在數(shù)字隔離器的世界中已經(jīng)建立了兩種通信結構:基于邊緣的和OOK的。原則上,它們可以被視為等同的方法。然而,根據(jù)應用程序需求,兩個架構之間的差異會影響決策。

在基于邊緣的體系結構中,一旦數(shù)據(jù)信號被激活,就不再采樣輸入和輸出狀態(tài)。在發(fā)生電源故障或數(shù)據(jù)信號故障時,這種行為可能導致錯誤。因此,基于邊緣的方法需要集成刷新電路,以便在這些條件下最大限度地減少錯誤風險,并擴大輸出時的輸入狀態(tài)。

通過OOK,輸入變量被連續(xù)采樣并通過隔離屏障傳輸。由于輸入的連續(xù)采樣,如果供應或輸入信號發(fā)生意外變化,輸出中不會出現(xiàn)任何錯誤。對OOK來說,不需要額外的更新電路,就像對邊緣的一樣。

因此,兩種方法的第一個區(qū)別是能耗。基于邊緣的架構消耗較少的能源,因為它只被采樣一次,而Ook則需要永久性的能源。

第二個差異點是OOK調(diào)制方案在噪聲和瞬態(tài)行為方面提供了固有的優(yōu)勢,具有更高的cmti值,并且由于連續(xù)采樣而增加了數(shù)據(jù)速率的好處。

概述:

· 基于邊緣的架構:損失減少,數(shù)據(jù)速率降低

· 開鎖:故障安全性、改進的CMI和更大的噪聲行為

圖4說明了電路塊。該解調(diào)器位于該隔離器的第二側,具有放大、濾波和重建輸入信號的功能。最小化信號延遲和信號失真.最后,緩沖區(qū)將信號從解調(diào)器輸出路由到總體輸出,從而緩沖區(qū)將信號放大到所需水平。

圖4:數(shù)字隔離器CDS18012X15411X的框圖

安全第一!在緊急情況下,數(shù)字隔離器應該保護人們免受危險電壓的影響。

因此,它們必須滿足最高的安全性和耐久性要求。德國VDER公司根據(jù)最新和要求最高的標準認證了CDIP和CDIS系列數(shù)字隔離器,該標準是DINEIN60747-17(VDED088-17):2021-10"用于基本絕緣和強化絕緣的磁和電容耦合器"(見表1)。

參數(shù)IEC 60747-17 (VDE 0884-17)

Table 1: IEC 60747-17 (VDE 0884-17)

但是,"基本"和"強化"這兩個術語對于一個人的安全意味著什么呢?這個標準本身只給出了一個相當抽象的定義--請參閱國際標準委員會第60747-17:202X:

我們什么時候選擇基本隔離還是強化隔離?簡而言之,"單一故障情況"和"正常運行情況"在這里是重要的。強化絕緣保證在正常操作中即使在單一故障情況下也能防止電擊?；窘^緣只有在正常操作中才有效,即:,不考慮單一的過失。

線性轉移特性

圖5顯示了被測電壓與輸出時顯示的電壓之間的關系。整個輸入電壓范圍從-30V到30V的傳輸特性幾乎是線性的。所顯示的設計包括發(fā)射機和接收機的電路板連接通過一個繞對電纜,因此是一個合適的解決方案,以電流隔離數(shù)據(jù)采集和傳輸。

圖5:從發(fā)射機輸入到接收機輸出的傳輸特性幾乎是線性的,整個輸入電壓范圍從-30V到30V。