引言

使用和設(shè)計電子設(shè)備方面層出不窮的各種安全規(guī)定，使得在幾乎所有數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中使用電隔離器成為必需。避免控制系統(tǒng)低壓電路在電場中遭受潛在傳感器和傳動器組件危險高壓損害的一種方法就是使用數(shù)字隔離器。

為了讓隔離系統(tǒng)設(shè)計變得更加輕松，本文不但描述了電容式數(shù)字隔離器的基本功能，介紹了其在信號通路中的安裝，而且還提供了一些成功電路板設(shè)計的重要建議。

基本功能

圖 1 顯示了一個電容式數(shù)字隔離器的簡化結(jié)構(gòu)圖，該電容式數(shù)字隔離器由一個高速信號路徑和一個低速信號路徑組成。高速路徑（藍(lán)色部分）傳輸 100 kbps 至 150 Mbps 的信號，而低速路徑（橙色部分）則傳輸 100 kbps 以下至 dc 的信號。

圖 1 電容式數(shù)字隔離器的簡化結(jié)構(gòu)圖

藍(lán)色部分所示路徑中處理的高速信號被電容式隔離層區(qū)分為多個快速瞬態(tài)。隨后的觸發(fā)器 (FF) 將這些瞬態(tài)轉(zhuǎn)換成在波形和相位方面均與輸入信號一致的脈沖。內(nèi)部看門狗定時器 (WD) 檢查 高速信號邊緣的定期出現(xiàn)。在低頻輸入信號情況下，連續(xù)信號邊緣之間的持續(xù)時間會超出看門狗定時器窗口。這樣便迫使看門狗定時器將輸出開關(guān)位置從高速路徑（位置 1）改變?yōu)榈退俾窂剑ㄎ恢?2）。

低速路徑比高速路徑多出幾個功能元件。因為低頻輸入信號要求隔離層禁止呈現(xiàn)大電容，所以輸入信號被用于對一個內(nèi)部振蕩器 (OSC) 的載波頻率進(jìn)行脈寬調(diào)制(PWM)。這就構(gòu)成了一個非常高的頻率，能夠通過該電容層。由于輸入得到了調(diào)制，因此必須要使用低通濾波器 (LPF) 在實際數(shù)據(jù)傳輸至輸出端前去除其中的高頻載波。

在信號鏈中的安裝

數(shù)字隔離器分為單通道、雙通道、三通道及四通道器件，以實現(xiàn)雙向和單向運行，具有如下共有特性：

-不符合任何特定接口標(biāo)準(zhǔn)-使用 3V/5V 邏輯開關(guān)技術(shù)-專為電隔離數(shù)字、單端 (SE) 數(shù)據(jù)線而設(shè)計

較后一點似乎為一種設(shè)計限制，然而圖 2 顯示了如何對多種接口進(jìn)行隔離，其中包括低壓 SPI、高壓 RS232、差動 USB 和差動 CAN/RS485。

但是，所有接口都必須在隔離接口的單端 3V/5V 部分中安裝數(shù)字隔離器。

圖 2 數(shù)字隔離器必須安裝在隔離接口的單端部分中

由于數(shù)字隔離器都具有 1 到 2ns 的升降時間，因此它們在長信號線跡的情況下往往易于出現(xiàn)信號反射，其特性阻抗與隔離器輸出的源阻抗不匹配。因此，我們建議在其相應(yīng)數(shù)據(jù)接收裝置和數(shù)據(jù)源（例如：控制器、驅(qū)動器、接收機(jī)和收發(fā)器等）附近安裝一個隔離器。在無法這樣做的設(shè)計中，必須使用受控的阻抗傳輸線。

PCB 設(shè)計指南

就數(shù)字電路板而言，要使用標(biāo)準(zhǔn) FR-4 環(huán)氧玻璃作為 PCB 材料，這是由于相比一些廉價材料其不但符合 UL94-V0 要求，而且還擁有更少的高頻介電損耗、更低的吸水性、更大的強(qiáng)度和硬度以及更高的阻燃特性。

要完成一個低 EMI的PCB 設(shè)計，建議以下列順序從上到下堆棧至少四層（請參見圖 3）：高速信號層、接地層、電源層以及低頻信號層。

圖 3 建議四層堆棧

在頂層布排高速跡線可互聯(lián)隔離器及其相應(yīng)驅(qū)動器。跡線不能過長，并避免使用過孔，以此來保證跡線電感較低。

緊接著高速信號層放置一個固態(tài)接地層，以保證接地層和信號跡線之間存在強(qiáng)大的電氣耦合。這樣便建立起傳輸線互聯(lián)的受控阻抗，同時也極大地減少了電磁干擾 (EMI)。較終，固態(tài)接地層為回流提供了一個非常好的低電感路徑。

將電源層置于接地層下面。這兩個參考層構(gòu)成了一個大約為 100pF/in2 的附加高頻旁路電容器。

在底層布排低速控制信號。這些信號鏈路擁有足夠的余量來承受過孔引起的中斷，從而實現(xiàn)了更大的靈活性。

受控阻抗傳輸線是特性阻抗 Z0 始終受控于其幾何特性的跡線。跡線長度大于 15mm（tr = 1ns）和 30mm （tr = 2ns）時，跡線阻抗必須要與隔離器輸出阻抗 Z0 ~ rO 匹配（如圖 4 所示）以較小化信號反射。這被稱為源阻抗匹配。

圖 4 源阻抗匹配：Z0 ~ rO

一個隔離器的動態(tài)輸出阻抗 r0 可以通過隔離器產(chǎn)品說明書中列舉的近似電壓-電流輸出特性線性部分得到。一般來說，標(biāo)準(zhǔn)輸出阻抗大約為 70?。因此，對一條標(biāo)準(zhǔn)的 2 盎司鍍銅跡線和一條 4.5 的 FR-4 電介質(zhì)而言，接地層上 8mm 寬、10mm 長的跡線幾何形狀會產(chǎn)生 70? 的規(guī)定特性阻抗。

布線指南

建議遵循下列幾條主要的布線原則，以保持信號完整性和低 EMI。

為了將串?dāng)_降至 10% 以下，需保持信號跡線為跡線至接地高度的三倍（d = 3h）。信號跡線下的回流密度遵循 1/ [1+(d/h)2] 函數(shù)，因此其在 d > 3h 點上的密度會非常低，從而避免鄰近跡線中出現(xiàn)較大的串?dāng)_（請參見圖 5）。

圖 5 利用 d = 3h 來較小化串?dāng)_

使用 45o跡線彎曲（或者斜角）而非 90o 彎曲，可保持有效的跡線阻抗并避免信號反射。

為了實現(xiàn)在噪聲環(huán)境下的工作，將隔離器的閑置啟動輸入通過一個電阻器（1 k? 到 10 k?）連接到合適的參考層。將高電平有效、高啟動輸入連接到電源層，同時將低電平有效輸入連接至接地層。

過孔電感增加信號路徑電感時，避免各層隨快速信號跡線改變。

在隔離器與周圍電路之間使用較短的跡線長度可避免噪聲拾取。數(shù)字隔離器通常會帶有隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，后者提供了跨越隔離層的電源。由于隔離器的單端傳輸信號對噪聲拾取過于敏感，因此鄰近 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)噪聲可以很容易被長信號跡線拾取。

靠近電源（例如：穩(wěn)壓器）或在電源進(jìn)入 PCB 的地方安裝大容量電容（即 10 μF）。

通過將電容的電源端直接連接至器件的電源端、然后經(jīng)過孔連至 Vcc 層，在器件上安裝小容量的 0.1 μF 或 0.01 μF 旁路電容。經(jīng)數(shù)個過孔將電容接地端連接至接地層（請參見圖6）。

將多個過孔用于連接旁路電容和其他保護(hù)器件（例如：瞬態(tài)電壓抑制器和齊納二極管）的，以較小化接地連接的過孔電感。

圖 6 將旁路電容直接連接至 Vcc 終端

總結(jié)

盡管關(guān)于 PCB 設(shè)計的資料有很多，但本文主要提供一些涉及數(shù)字隔離器電路板設(shè)計的建議。遵循這些建議將有助于在較短的時間內(nèi)完成一個符合 EMC 標(biāo)準(zhǔn)要求的電路板設(shè)計。

參考文獻(xiàn)

• 《高速數(shù)字設(shè)計——黑魔書》，作者：Johnson, Howard W. 和 Graham Martin， Prentice Hall 出版，1993 年版；ISBN 0-13-395724-1。
• 《電子系統(tǒng)中的降噪技術(shù)——第二版》，作者：Henry W. Ott，John Wiley & Sons 公司出版，1988 年版，ISBN#：0-471-85068-3。
• 《去除印刷電路板電源/接地層去耦的神秘色彩》作者：Archambeault, Bruce 博士，2001 年版。
• 《數(shù)字隔離器設(shè)計指南(slla284)》，德州儀器，2008：http://focus.ti.com/general/docs/techdocsabstract.tsp?abstractName=slla284。

作者簡介

Thomas Kugelstadt 現(xiàn)任 TI 高級系統(tǒng)工程師，主要負(fù)責(zé)新型高性能模擬產(chǎn)品的定義以及用于檢測和調(diào)節(jié)工業(yè)系統(tǒng)中低電平模擬信號的完整系統(tǒng)解決方案的開發(fā)工作。在加盟 TI 的 18 年里，他曾被派往歐洲、亞洲以及美國擔(dān)任不同的國際應(yīng)用職位。Thomas 自法蘭克福應(yīng)用科技大學(xué) (Frankfurt University of Applied Science) 畢業(yè)后，就成為一名見習(xí)工程師 (Graduate Engineer)。如欲聯(lián)系作者，請發(fā)送郵件至 ti_thomaskugelstadt@list.ti.com。