本文是其中的一部分Techxchange.：探索数字隔离技术
你会学到什么：
- 需要隔离电源。
- 使用设计数字隔离系统的不同方式。
- 不同拓扑的益处和设计考虑因素。
高压电路设计需要隔离，以保护操作人员，使通信与低压电路，并消除系统内不必要的噪声。数字隔离器为工业和汽车应用中实现高压隔离通信提供了简单可靠的途径。
为了保持信号的完整性，需要隔离电路的主要和次要侧之间的所有耦合路径，包括电源。虽然数字隔离器的二次侧通常需要很少的功率，但系统设计者通常会为多个设备提供额外的功率允许。
设计用于数字隔离电路的隔离电源时可用了许多选择。本文将引入一些最流行的拓扑反激，半桥（H-Bridge）电感电容器 - 电容器（LLC），推挽和集成的隔离数据和电源解决方案以及设计考虑因素。但首先，让我们解决孤立权力的需求。
数字隔离器的隔离电源
数字隔离器的内部架构包括两个单独的数字集成电路（IC），在分割引线框架上，它们之间的高压隔离介电屏障（图。1）．每个IC的主、二次侧都需要独立的电源和接地，两者之间没有物理连接。这种需求与设备是否支持基本隔离或加强隔离无关，它适用于数字隔离器以及具有集成接口的隔离设备。
数字隔离器的功率要求是什么？
在为数字隔离器解决方案选择电源拓扑之前，您需要确定电源的基本要求，包括输入电压范围，输出电压，次级侧所需的输出功率以及输出轨的数量。与非隔离电源解决方案相比，隔离电力解决方案的其他考虑因素是系统绝缘额定值以及所需的爬电和间隙距离以及电磁兼容性要求，如
静电放电和系统的排放性能。行业终端设备标准定义了许多这些要求。
数字隔离器的输入和输出信号电压通常取决于其施加的电源电压，并且通常与电源电压直接关系（VCC.）在次要方面。在最终确定电源输入和输出要求之前，请务必仔细检查数字隔离数据手表，以便在最终提供电源输入和输出要求，并优化数字隔离器的输出，以实现接口组件的逻辑电平。
例如，当用5 V供电，将数字隔离器供电到微控制器的接口时，选择在次级侧或接近5-V逻辑电平的信号中选择的信号（图2）．
分离功率是否是次级侧供应工作？
在某些情况下，两个单独的电源轨可能已经在系统内有用于初级和次级侧电源，只要您可以满足隔离器逻辑的一些最小要求。这些包括符合输入和输出信号电平的电源电压电平，每个电源电压水平都提供单独的地面。
虽然使用现有的二次电源是一种选择，但噪声耦合和供应调节往往成为一个问题。设计人员通常选择设计逻辑和系统噪声性能最佳的隔离电源。
设计一个隔离电源
让我们研究用于生成隔离电源的不同拓扑。根据应用程序的不同，每种方法都提供了不同的好处。
反激电源
反激式电源由buck-boost变换器和分体式电感组成变压器。这种拓扑传统上用于隔离低功耗应用程序。变压器易于产生多个输出轨道，您可以很容易地通过改变匝数比来修改输出电压，以适应您的设计需要。
为了准确调节输出，您需要从降压 - 升压转换器内的脉冲宽度调制（PWM）控制器的次级侧的反馈。可以通过光耦合器或辅助或三级绕组来实现这一点（图3），可以增加组件计数并增加成本。此外，您必须仔细管理变压器的漏电电感和效率，因为寄生电容可能影响电磁干扰（EMI）。通常，反激拓扑是一种简单，低成本的方法，可以为数字隔离器创建隔离电源。
H-Bridge LLC电源
h桥功率变换器由方波发生器、谐振电路和直流输出整流器组成，提供二次侧隔离功率输出（图4）．谐振切换电路是设计的关键部件，使用两个电感器和电容器形成LLC电路。它通过改变驱动电压的频率来调节输出电压以改变谐振电路的阻抗。
虽然这种拓扑提供高效率和功率密度，但电路的峰值谐振取决于装载条件。这使得设计并经常需要预调节的输入电压以及窄的输入和输出范围以最小化方差。
H-Bridge电源转换器传统上用于隔离中型电源应用，或者需要更高的输出功率。电源设计研讨会文章，“设计LLC谐振半桥电源转换器，提供了关于H-bridge LLC设计的更多细节。
推挽电源
推挽式转换器拓扑采用电磁感应或变压器动作，将电力从初级侧传递到次级侧。该电路采用两个相同的低侧开关，中心螺纹初级和次级变压器和全桥式整流二极管（图5A）．两个开关-Q1和Q2，在备用循环中操作 - 为变压器动作提供切换，其以前馈方式调节输出电压，而变压器转向比率确定输出电压。
这种拓扑的一个好处是，使用中心旋转变压器和相同的开关产生对称输出轮廓，用于电流和电压(图5 b)，与单端反激拓扑或H桥互补驱动拓扑不同。
变压器驾驶员
变压器驱动器通常具有诸如过压锁定或超级循环控制的附加功能，以简化推挽功率拓扑设计。要保存空间，您可以使用变换器驱动程序IC，如所示图6.代替推挽功率拓扑的开关。
变压器驱动因素如SN6505B.或SN6501从德州仪器（TI）通过使用在交替的时钟相位上开启的低侧开关，并通过中心抽头隔离变压器连续传输功率，提供了低噪音的解决方案。与其他拓扑结构相比，这种连续的功率转移可以产生更低的峰值电流、无死区时间、更低的排放和更高的效率。
这种装置通常可以与次级侧的低丢失调节器（LDO）一起使用以调节输出电压(图7)，尽管这个添加是可选的。要了解更多关于变压器驱动电路设计方法，请参阅应用说明，“信号和电源隔离，3.3 V / 5 V输入和12 V / 15 V输出。“
集成电源模块解决方案
随着半导体技术的进步，集成emi优化变压器和硅的选择为数字隔离器设计提供了新的电路拓扑的可能性。“透明国际”的UCC12050.一个集成的dc-dc偏置电源的例子，它提供了一个单芯片解决方案来隔离数字隔离器电源，很像一个集成的电源模块(图8)．
通过集成电源级和整流器，电源提供较小的形状因子，与离散解决方案相比，具有显着高度和重量的形状因子。内部拓扑控制方案在没有LDO或外部反馈组件的情况下运行闭环。
具有集成DC-DC转换器的信号隔离器
集成信号和功率IC将隔离的DC-DC转换器，变压器和LDO与单个封装中的数字隔离信号通道或隔离收发器组合。数据通道通过电介质隔离，芯片级变压器用于电源隔离，设计优化为尽可能小的占地面积。图9.展示了两个集成解决方案的例子-一个与隔离的数据和电源，另一个与隔离的收发器与隔离的电源。
效率和排放是选择集成电源解决方案时要考虑的主要参数。内部变压器比率采用集成设计固定，通常提供较低的输出电流，导致集成解决方案的效率低于离散的解决方案20-30％。
排放也为综合设计提供了挑战。低电感Microtransformers的使用需要高频切换，与离散解决方案相比，这可能导致辐射发射更高。
因此，选择一个综合解决方案需要审查测量的排放业绩，并额外关注董事会和系统级技术，以实现业绩目标。例子包括选择较低的供电电压运行和优化的滤波和布局技术，以获得系统水平的最低辐射排放。
尽管需要在董事会和系统级别优化您的布局，但整个后续一代，集成解决方案的排放性能继续提高。ComitéIngationalChécialdeverturzations放射线（CISPR）32是用于区分A和B类设备的欧洲排放标准，并为每个班级指定进行的和辐射排放。
这ISOW7741.集成的数字隔离器与隔离电源，ISOW1412.集成孤立的RS-485收发器，电源或ISOW1044隔离的控制器区域网络（CAN）收发器，具有集成的DC-DC转换器，符合CIPSR 32 B类限制，解决方案尺寸明显较小，而不是离散设计的替代方案。
尽管一些额外的设计时间优化了集成解决方案，但消除了板上的变压器，电路板尺寸减少，并提高了易于认证是值得的，在可能的占地面积中实现高性能设计。虽然离散解决方案具有最高的效率和最低排放量，但综合解决方案保存板空间和上市时间。
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