【導(dǎo)讀】本文將簡(jiǎn)要討論在過(guò)程控制中模擬量輸入模塊中的隔離問(wèn)題以及其傳統(tǒng)解決方法，然后將提出一種替代性的高密度、易于設(shè)計(jì)的通道間隔離模擬輸入模塊的完整解決方案。測(cè)試結(jié)果表明，這個(gè)16通道、2.5 kV rms通道間隔離演示模塊可以輕松通過(guò)EN55022 Class B 和Class A的IEC輻射標(biāo)準(zhǔn)。
在高端工廠自動(dòng)化應(yīng)用中（如油氣廠和電廠），常會(huì)要求多路采集通道與通道之間進(jìn)行隔離，其中高耐壓、小尺寸、低EMI、高可靠性和低成本等要求在通道間隔離設(shè)計(jì)中別具挑戰(zhàn)性。通常目前現(xiàn)有成熟方案，標(biāo)準(zhǔn)模塊實(shí)現(xiàn)的通道密度往往僅限于四個(gè)通道或八個(gè)通道，通道間隔離只能承受數(shù)百伏特耐壓。
過(guò)程控制模擬量輸入模塊中的隔離
電氣隔離原理是以物理和電氣方式分開(kāi)兩個(gè)電路，使二者之間無(wú)直接傳導(dǎo)路徑，但仍然可以交換數(shù)據(jù)和電源。這通常是通過(guò)變壓器、光耦合器或電容來(lái)實(shí)現(xiàn)的。隔離用于保護(hù)電路和人，隔斷接地環(huán)路，提高共模電壓和噪聲抑制性能。
一般地，過(guò)程控制的輸入要么采用組塊隔離，要么采用通道間隔離（見(jiàn)圖1）。對(duì)于組塊隔離，多路輸入通道組合在一起以共用一組隔離器，包括電源隔離和信號(hào)隔離。與通道間隔離相比，這樣可以節(jié)省成本，但限制了組中通道間的共模耐壓，這 意味著這些通道和設(shè)備將被建議安裝在相同區(qū)域中。通道間隔離 （如圖1右側(cè)所示）相比前者在適用穩(wěn)定性等方面會(huì)大大改善。 話雖如此，每通道卻需要更高的成本，因此工廠設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)評(píng)估和權(quán)衡。
圖1. 組隔離和通道間隔離
在通道間隔離設(shè)計(jì)中，每個(gè)通道都需要專用的電源隔離和信號(hào)隔離。隔離是限制輸入模塊通道密度、EMI、成本和可靠性的主要因素之一。在之前的新設(shè)計(jì)中，每個(gè)通道用數(shù)字隔離器來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離，典型的數(shù)字隔離器（如ADuM141E）有四個(gè)隔離數(shù)據(jù)通道，采用16引腳SOIC (6.2 mm × 10 mm)封裝。但是，每個(gè)通道仍然需要電 源隔離。接下來(lái)，我們就來(lái)討論一下三種傳統(tǒng)的電源隔離方法：多抽頭變壓器、推挽式設(shè)計(jì)和隔離式DC-DC模塊的優(yōu)缺點(diǎn)。
圖2所示為帶有一個(gè)多抽頭變壓器的反激式隔離DC-DC架構(gòu)：一個(gè)反激式轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)變壓器，在抽頭上產(chǎn)生多個(gè)輸出。這是一種成熟的電源架構(gòu)，但在過(guò)程控制應(yīng)用中有六大劣勢(shì)：
1.變壓器需要具有多個(gè)抽頭和降低EMI的屏蔽層。在小尺寸封裝中很難實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)并保證足夠的可靠性。
2.反饋控制環(huán)路只能使用一路通道，意味著只能對(duì)其他通道進(jìn)行更為松散的調(diào)控。為了確保工作的可靠性，就需要對(duì)此進(jìn)行仔細(xì)的評(píng)估。
3.通道密度很大程度上受到具體變壓器放置方案的限制。對(duì)于來(lái)自各個(gè)抽頭輸出端的電源，變壓器置于模擬輸入模塊的中央，每個(gè)輸入通道圍繞變壓器呈扇出形排列，將模擬輸入模塊卡通道限制為四個(gè)或八個(gè)。
4.來(lái)自其中一路通道的干擾噪聲可能通過(guò)變壓器抽頭之間的耦合擴(kuò)散到其他通道中。
5.隔離所能夠承受耐壓等級(jí)。多抽頭變壓器只能實(shí)現(xiàn)幾百伏特的通道間隔離，除非其采用特殊絕緣材料或設(shè)計(jì)，然而那樣做會(huì)大幅增加變壓器成本。
6.定制變壓器取得UL/CSA認(rèn)證的成本很高。
圖2. 多抽頭變壓器電源隔離設(shè)計(jì)
第二種方法是每個(gè)通道使用獨(dú)立的變壓器，并用推挽法來(lái)隔離各個(gè)通道。這種方法不使用反饋，而用適當(dāng)調(diào)節(jié)的電源（如7 V）來(lái)驅(qū)動(dòng)各個(gè)變壓器，然后用LDO在副邊做進(jìn)一步調(diào)節(jié)。這種方法是可行的，因?yàn)楦边吷系碾娏飨南鄬?duì)較低，使得充分調(diào)節(jié)成為可能。
這種方法的不足之一是需要進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)，每個(gè)通道還要使用額外的元件。所選變壓器必須符合要求的隔離額定值。預(yù)調(diào)節(jié)、變壓器、開(kāi)關(guān)和每個(gè)通道需要的LDO會(huì)占用電路板空間，增加成本。同時(shí)還需要進(jìn)行大量評(píng)估，確保各個(gè)條件下都已達(dá)到充分調(diào)節(jié)。
圖3. 推挽式隔離設(shè)計(jì)
使用經(jīng)UL/CSA認(rèn)證的表貼式隔離DC-DC模塊可以大幅簡(jiǎn)化隔離式電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并使隔離耐壓電壓等級(jí)有一定程度提升。即便如此，其成本仍然較高，而且體積并不能有效減少，并且一般只能通過(guò)EN55022 A類標(biāo)準(zhǔn)。這些模塊也可能存在傳導(dǎo)性電磁干擾問(wèn)題，因?yàn)槎鄶?shù)模塊的PWM頻率為降低電磁輻射干擾都低于1 MHz。同 時(shí)，多數(shù)過(guò)程控制模擬量輸入模塊的模擬側(cè)電流消耗不到10 mA， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于市場(chǎng)上的多數(shù)隔離式電源模塊標(biāo)稱值。
上面討論的三種傳統(tǒng)方法都難以同時(shí)達(dá)到隔離性能和成本要求。 這些方法還要求每個(gè)通道采用獨(dú)立的數(shù)據(jù)隔離器，進(jìn)一步增加了空間要求和成本。如果電源隔離可以作為數(shù)據(jù)隔離器的一部分， 則結(jié)果會(huì)怎樣？事實(shí)上這一點(diǎn)可以做到，并且也已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。
ADI i Coupler®技術(shù)和iso Power®技術(shù)廣泛用于工業(yè)和汽車市場(chǎng)，這兩種技術(shù)可以集成到單個(gè)封裝中。以ADuM5411 為例（其功能框圖如圖4 所示），該器件采用7.8 mm × 8.2 mm 24引腳TSSOP封裝，包括完整的電源隔離和四個(gè)數(shù)據(jù)隔離通道。其輸出功率高達(dá)150 mW，足以滿 足模擬輸入信號(hào)調(diào)理和數(shù)字化的要求，并能通過(guò)2500 V rms UL1577 隔離標(biāo)準(zhǔn)。另外，CMTI（共模瞬變抗擾度）大于75 kV/μs，使其成為存在高瞬變電壓和電流的惡劣工業(yè)環(huán)境（如電廠）的理想選擇。
圖4. ADuM5411功能框圖
基于數(shù)據(jù)和電源隔離的高度集成，模擬量輸入模塊設(shè)計(jì)得以大幅 簡(jiǎn)化，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)更高的通道密度；可以在傳統(tǒng)隔離八通道空間里實(shí)現(xiàn)16個(gè)或以上的隔離通道數(shù)量。
我們用這種方案設(shè)計(jì)了一個(gè)16通道的通道間隔離的溫度輸入模塊 （見(jiàn)圖5），并進(jìn)行了EMI相關(guān)的測(cè)試。模塊中的ADuM5411器件為16路溫度輸入通道分別提供隔離電源和數(shù)據(jù)。熱電偶和/或RTD測(cè)量是用高度集成的溫度前端IC（AD7124 或 AD7792)實(shí)施的，比分立式設(shè)計(jì)更加節(jié)省空間。ADP2441 將24 V背板電源轉(zhuǎn)換成3.3 V的低 電壓源用于驅(qū)動(dòng)MCU、觸摸屏和ADuM5411。每個(gè)輸入通道只需要 63.5 mm × 17.9 mm的面積。
圖5. 16通道的通道間隔離溫度輸入模塊功能框圖
ADuM5411的布局設(shè)計(jì)
ADuM5411所用開(kāi)關(guān)頻率為125 MHz。由于通道數(shù)量較多，所以我 們特別注意，以確保電路板能順利通過(guò)EN55022 ClassB的電磁輻 射標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。
為了盡可能減少輻射，我們采取的原則就是盡量降低功耗、縮短 電流環(huán)路返回路徑，減少共模影響。我們使用了超低功耗集成式 溫度前端IC降，這意味著，隔離現(xiàn)場(chǎng)側(cè)消耗的功率會(huì)非常小，由此達(dá)到減少輻射能量的目的。完全活躍狀態(tài)下AD7124的功耗僅 為0.9 mA。而為了縮短電流返回環(huán)路，我們同時(shí)采用了鐵氧體磁珠和少量的旁路電容。
鐵氧體磁珠是在源頭控制輻射信號(hào)的一種有效方法，因?yàn)樗鼤?huì)形成比PCB走線高得多的阻抗。如圖6所示，鐵氧體磁珠與ADuM5411的引腳串聯(lián)（電源引腳起到主要作用）。鐵氧體磁珠的頻率響應(yīng)是一個(gè)很重要的考慮因素，我們使用的鐵氧體磁珠是 BLM15HD182SN1，其頻率范圍在100 MHz至1 GHz之間的阻抗大于 2 kΩ。鐵氧體磁珠應(yīng)盡量靠近ADuM5411焊盤。VISO路徑上的E9和 GNDISO路徑上的E10上的鐵氧體磁珠是必不可少的。
圖6. ADuM5411原理圖
也可以用耦合電容來(lái)提供低阻抗的返回路徑，從而減少輻射。 一種方法是在隔離柵上使用表貼式高壓電容，確保符合爬電距離、電氣間隙和耐受電壓標(biāo)準(zhǔn)。Murata、Vishay等供應(yīng)商均提供此 類電容。受安裝電容帶來(lái)的寄生的電感影響，這種方法僅在不 超過(guò)200 MHz左右的頻率下有效。為此，一種更有效的技術(shù)是在 ADuM5411下方的PCB電路板內(nèi)構(gòu)建一個(gè)旁路電容。其可以是浮動(dòng)式旁路電容，也可以是重疊式旁路電容，如圖7所示。
圖7. 浮動(dòng)式旁路電容與重疊式旁路電容
浮動(dòng)式旁路電容集成了兩個(gè)串行電容，即C1和C2。總電容通過(guò)公式1計(jì)算。
其中：
ε為PCB絕緣材料的介電常數(shù)，F(xiàn)R4材料為4.5。
對(duì)于重疊式旁路電容，其電容通過(guò)公式2計(jì)算。
其中：
ε為PCB絕緣材料的介電常數(shù)，F(xiàn)R4材料為4 × 10–1 1 F/m。
在材料、面積和距離相同的條件下，浮動(dòng)式旁路電容的總電容值為重疊式旁路電容的一半，但絕緣材料的厚度則增加了一倍。 依據(jù)IEC60950 2.10.6.4，加強(qiáng)絕緣要求內(nèi)層絕緣材料的最低厚度為 0.4 mm (15.74 mil)，但基本絕緣無(wú)此類要求。由于ADuM5411僅提 供2.5 kV rms的基本隔離，所以，我們選擇了重疊式旁路電容以實(shí)現(xiàn)電容值的最大化。因相同的原因，內(nèi)層的厚度也控制在5 mil。
16通道的通道間溫度輸入模塊PCB采用的是一塊6層的電路板。為了兼顧機(jī)械和EMI性能，頂層和底層的厚度控制為20 mil，內(nèi)層控制為5 mil，如圖8所示。
圖8. 六層PCB堆棧分配
如圖9所示，重疊式旁路電容的各層集成在GND1、SIG、PWR和GND2 中。GND1和PWR上的各層連接至ADuM5411的副邊，SIG和GND2中 的各層連接至ADuM5411的原邊。這意味著，GND1與SIG、SIG與 PWR、PWR與GND2之間共形成了三個(gè)并行的旁路電容。重疊區(qū)寬 4.5 mm，長(zhǎng)17 mm，即總旁路電容為72 pF。
圖9. ADuM5411區(qū)域的六層PCB布局
基于EN55022規(guī)格的測(cè)試結(jié)果
根據(jù)EN55022規(guī)范在10m條件下執(zhí)行兩組EMI測(cè)試。對(duì)于第一個(gè)測(cè) 試，帶stitching電容的電路板使用情況如圖10所示。圖11顯示了測(cè)試 結(jié)果，該測(cè)試通過(guò)了EN55022 ClassB的標(biāo)準(zhǔn)，裕量約為11.59 dB。對(duì)于第二個(gè)測(cè)試，使用了不帶stitching電容的電路板，而將3kV、150pF 外部高壓電容KEMET C1812C102KHRACTU安裝在電路板上。圖12顯示 了測(cè)試結(jié)果——通過(guò)了EN55022 Class B的標(biāo)準(zhǔn)，裕量為0.82 dB，距 離Class A的閾值還是有足夠多的余量。
圖10. PCB中內(nèi)置無(wú)安規(guī)電容的旁路電容
圖11. EN55022 B類測(cè)試結(jié)果（PCB中內(nèi)置旁路電容）
圖12. EN55022 B類測(cè)試結(jié)果（無(wú)旁路電容，有安規(guī)電容PCB）
測(cè)試結(jié)果證明，相比高壓電容，IC下的stitching電容是更有效的去耦合方法。
結(jié)語(yǔ)
通道間隔離往往被視為高端過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。相 比傳統(tǒng)數(shù)字和電源分別隔離的方法，ADI的isoPower技術(shù)和iCoupler 技術(shù)可以大幅提高通道密度，還大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)工作，可以提高通道穩(wěn)定性和可靠性。利用PCB中內(nèi)置的stitching電容或安裝在PCB旁邊的高壓電容，可以輕松地控制EMI輻射以便通過(guò)EN55022 B類或A類標(biāo)準(zhǔn)，這是一項(xiàng)技術(shù)上的突破。
推薦閱讀：
