如何为物联网传感器选择合适的电隔离技术

多样化的新型物联网应用的发展使得许多设计人员面临着在传感器和其他电子设备之间提供电流(欧姆)隔离的挑战。这种隔离对于信号完整性,系统保护和用户安全至关重要,但是设计人员必须从三种主要的隔离技术中选择:磁性,光学和电容屏障。
这些选项中的每一个都具有相似的性能特征,但是在设计人员之间进行选择之前,需要细微的区别。为此,本文将介绍隔离在传感器中的作用,然后介绍各种选项,它们的不同特性以及如何应用它们。
它还将引入数字隔离,并提供数字隔离器的进一步实例。

隔离的要领

当传感器或传感器子电路“隔离”时,它与电路的其余部分之间没有电路,使用欧姆表的基本测量在两个部分之间将不显示电流(图1)。作为这个障碍的结果,挑战是从隔离的子电路到系统的其余部分的信号。在许多情况下,还有一个额外的挑战:为隔离的子电路提供电源,而不通过电源子系统进行“潜行路径”,这会消除任何隔离。
未接地的传感器和系统之间没有电流路径的图表
图1:在隔离系统中,未接地传感器和系统(可能接地)之间没有电流路径,但某种类型的信息承载能量必须从一侧传到另一侧。(图片来源:Digi-Key,基于www.ee.co.za的原始资料)
孤立的原因包括:
  • 传感器是“浮动的”,不能与系统“地”有任何联系(系统“普通”是一个更准确的术语,但“地”是这里常用的用词不当)。
  • 即使系统是电池供电,因此没有连接到“交流接地”,传感器输出可能,如果它是在高共模电压(CMV)的顶部。这个CMV将会损坏其余的电子设备。例如,位于串联堆栈顶部的单个电池单元的电压。
  • 传感器可能会无意中连接到高压电源,甚至交流电源线。这不仅会损坏电子设备,还会使用户处于危险之中。
幸运的是,实现模拟传感器隔离的可行方案可以提供从几十伏到几千伏的低电平和高电平隔离。后者在EV / HEV等大规模市场应用中是必需的,而且通常用于法规性安全要求。提供隔离的三种最常见的方法是使用磁性,光学和电容技术,每种方法的额定值都大于1000 V或更高。
这些技术在主要性能属性上有显着的重叠,但也有一些差异。在应用程序中选择哪一个最适合的决定通常是困难的。
需要考虑的因素包括带宽,尺寸和占位面积,成本,隔离额定值(伏特),寿命评估以及个人“舒适度”。寻找性能参数的适当平衡取决于应用。例如,电池监控不需要快速响应,而高速测试传感器则可以。

磁隔离:起点

磁性隔离使用变压器,是最古老的技术; 多年来这是唯一的技术。隔离变压器通常具有1:1的匝数比,并且可以相当小,因为它处理信号而不是功率,而且功耗相当低。
由于变压器不能通过直流,也不能很好地处理非常低的频率(除非它有一个大的核心),要隔离的信号不能直接施加到主(输入)端。相反,如果需要的话,传感器信号被放大,然后用于以更高的频率(幅度调制)调制载波,或者用于脉宽调制(PWM)。
在输出(次级)侧,使用常规技术解调信号以提取和恢复原始信号。必须向初级侧提供隔离电源,因此通常会有独立的专用隔离侧电源,而输出侧则使用系统导轨。
早期落入式分离运算放大器是AD215从模拟器件(图2)。它的功能看起来像非隔离的运算放大器,但它提供了1500 V(rms)的隔离度和120 kHz的带宽。它包含一个信号调制器,变压器和信号解调器,以及一个隔离的直流电源。所有这些都需要提供电流隔离,但是允许模拟信号从输入侧传输到输出侧。
ADI公司AD215磁性隔离器示意图
图2:AD215内部的磁性隔离器是一个信号调制器,变压器和信号解调器,还有一个隔离的直流电源。(图片来源:Analog Devices)
该器件具有±10 V(V)的输入/输出范围,具有1 V / V至10 V / V的指定增益范围,并且包括用于前端的内部隔离式DC / DC电源,因此不需要单独的电源是必须的。
尽管AD215主要用于开关电源的反馈回路,但也可以用于电压监测器,电机电流检测和大型电池系统,所有这些系统都在400 kHz带宽内(图3)。
Analog Devices AD215隔离器示意图
图3:尽管AD215主要用于开关电源的反馈回路,但也可用于电压监测器,电机电流检测和大型电池系统。这里显示的AD210是功能相同的AD215版本,但规格宽松; 的AD620是精密仪表放大器。(图片来源:Analog Devices)
在这种应用中,测量电机检测电阻上的电压以确定通过电机的电流时,通常需要模拟隔离。这是必要的,因为检测电阻不是以地为参考的,而是“浮动的”,并且相对于地可能处于非常高的电位。
这些早期的磁性隔离装置使用离散变压器,因此相对较大且昂贵。较新的设计使用专有版本的平面共面变压器,与IC封装兼容。例如,ADI公司的ADuM3190隔离误差放大器采用16引脚QSOP封装,提供2.5 kV隔离等级。其平面变压器相互平行放置,以实现最大的能量传输(图4)。
ADI公司的ADuM3190隔离式误差放大器
图4:ADuM3190隔离式误差放大器被封装起来看起来像IC一样处理,而且还包含硅芯片和一对互相平行放置以实现最大能量传输的平面变压器。(图片来源:Analog Devices)
虽然它看起来像一个标准的运算放大器,但它实际上是接收输入信号,并用它来产生一个通过平面变压器的PWM信号。该PWM信号在二次侧被解调和滤波以生成模拟输出信号。数据手册中包含相位和增益裕度的标准运算放大器波德图(图5)。使用此器件(或类似器件)的设计人员可以期望通过标准放大器环路稳定性以及相关的建模和仿真。波德情节将有所帮助。
ADuM3190的幅度和相位图
图5:ADI公司的ADuM3190虽然具有复杂的,独立的内部架构,但作为传统的运算放大器,对设计师来说似乎是一个好消息。(图片来源:Analog Devices)
ADuM3190的额定工作温度范围为-40°C至+ 125°C,这在某些目标应用中已成为现实。请注意,由于隔离元件是刚缠绕的导线,因此在传统意义上没有“磨损”机制,除非该设备超出其规格操作。
然而,由于电压应力,所有绝缘材料最终在足够长的时间段内击穿,并且退化速率作为施加在电压障碍两端的电压波形的幅度和类型的函数。对于ADuM3190,即使在最大额定双极性交流波形下,供应商也能保证50年的使用寿命,这比同等级的单极性交流或直流电压更为紧张。

光电隔离:一个更新的选择

磁隔离的另一种选择是光隔离,这在概念上是简单的:输入侧驱动一个LED,LED的输出撞击一个共同封装的光电晶体管,输出是光电晶体管电流(图6)。封装内的LED和光电晶体管之间的短路径提供了所需的电流隔离。
晶体管光隔离器图
图6:光隔离器需要两个有源元件:一个LED来源IR,一个光电晶体管将接收到的光子转换成电流。包装内的光路提供电流隔离。(图片来源:Sunpower英国)
与基于变压器的隔离一样,输入信号用于使用PWM或其他方法以数字模式调制LED电流。的博通(安) ACPL-C87B / C87A / C870家庭光学隔离放大器的是,可以跨电流感测电阻器(图7)被用于电压感测装置的一个很好的例子。
Broadcom ACPL-C87B / C87A / C870光隔离器示意图
图7:Broadcom ACPL-C87B / C87A / C870系列的光隔离器针对较低的电平电压,并使用斩波稳定放大器的Σ-Δ调制来实现精度,精度和一致性。(图片来源:Broadcom)
该系列的隔离器具有2 V输入范围和高1GΩ输入阻抗。这些规格使其非常适合电源转换器应用(包括电机驱动器和可再生能源系统)中的隔离电压感应要求。这些器件结合了光耦合技术以及Σ-Δ(Σ-Δ)调制,斩波稳定放大器和差分输出,提供高隔离模式噪声抑制,低失调,高增益精度和稳定性。这些都是在一个拉伸的SO-8(SSO-8)包装中。
由于其100 kHz带宽(图8)和高共模瞬变抑制(15 kV /μs),器件非常适合电源转换器应用。这种瞬变对于电机驱动器是常见的。
Broadcom ACPL-C87B / C87A / C870带宽图
图8:使用其内部Σ-Δ模数转换技术,Broadcom ACPL-C87B / C87A / C870系列光隔离放大器可轻松实现100 kHz带宽,并具有100 kHz的平坦响应。(图片来源:Broadcom)

电容隔离:最新的选择

另一种隔离技术使用电容和“电容器”之间的微小隔离进行隔离。近年来,由于集成电路和封装技术的进步,该技术已经变得可行且具有成本效益。德州仪器 ISO124是一个很好的实施例子。这是一款精密隔离放大器,其输入和输出部分通过内置于SOIC-16(或SOIC-18)表面贴装塑料封装的匹配1皮法(pF)电容进行电气隔离。
像其他模拟隔离放大器一样,其高级功能图很简单(图9)。
德州仪器“分裂”运算放大器的图
图9:用于模拟隔离放大器的一个常用符号是在ISO124数据表中使用的“分离”运算放大器; 这清楚地表明,输入和输出部分有自己的,单独的“理由”(虽然“普通”将是一个更正确的名称)。(图片来源:德州仪器
同时,详细的框图揭示了用户内部和用户看不见的复杂性(图10)。
德州仪器ISO124图
图10:与磁性和光学隔离器件一样,ISO124内部有相当数量的模拟和数字电路使其独特的基于电容的隔离工作。(图片来源:德州仪器)
ISO124输入是占空比调制并通过屏障数字传输。输出部分接收调制信号,将其转换回模拟电压,并消除解调中固有的纹波分量。它具有0.010%的最大非线性,50 kHz的信号带宽和200微伏(μV)/°C的OS漂移,需要±4.5 V和±18 V之间的单电源。
与非隔离式运算放大器一样,数据手册中也有表格数据以及各种条件下正弦波和阶跃响应性能的图形信息(图11)。这些隔离设备的潜在用户需要研究数据和图表,以确保设备性能与应用需求相匹配。
德州仪器ISO124模拟设备的图表
图11:由于基于ISO124模拟器件的类运放性质,设计人员需要密切关注许多图表,包括标准正弦和阶跃响应图。(图片来源:德州仪器)
ISO124非常适合低速应用,例如在接收器端的4-20 mA电流回路上隔离来自电阻温度检测器(RTD)和热电偶温度传感器的信号,并将其转换为电压(图12 )。
德州仪器ISO124图形用于隔离连接的RTD
图12:ISO124用于隔离通过标准4-20 mA电流回路连接的RTD,并将该电流信号转换为0-5 V信号,以实现控制系统的兼容性。(图片来源:德州仪器)
温度测量应用通常要求将传感器与系统电路的其余部分隔离,因为它们直接固定的潜在的高电压点,例如电机外壳。该电压然后被系统模数转换器(ADC)用于读出或闭环控制,两者都是常见的工业情况。

做出决定

所有三种模拟隔离技术 - 磁性,光学和电容 - 都可以在正确的条件下提供出色的结果。设计师的困境就变成了如何在特定情况下决定“最好”的一个问题。
要考虑的因素包括带宽,预期寿命(故障或耗尽时间),大小和功耗要求。每种隔离技术均衡这些属性,并可能在家庭中提供具有不同折衷的特定产品,从而使决策复杂化。
关于电压隔离量,所有这三种类型的电压都至少达到1kV(有的达到5kV甚至更高),并且符合相关的法规标准(IEEE,VDE,CIE,UL,CSA)。因此,对于大多数物联网应用来说,最大隔离电压不是问题。如果这成为一个问题,专业隔离器是可用的,这是经过认证的更高的电压。
关于每种隔离技术都可以做出一些一般性的陈述,但是对于每一种陈述都有例外,每一种技术的供应商都会就为什么他们的方法更好而作出有效和合理的论证。一般来说:
磁隔离具有非常长的使用寿命,其被动屏障可承受比连续电压额定值大得多的浪涌和尖峰。但是,由于通过磁场的感应耦合,它可能容易受到来自外部磁场的干扰。一些较新的设计成功地将这个问题最小化,使得这些单元使用行业标准测试来证明这种干扰易感性。
光电隔离具有较高的抗电磁干扰能力,但由于LED开关速度较高,功耗较高以及对LED磨损的担忧,因此速度适中。最后一个问题是最严重的问题,因为LED在正常使用中会经历退化(调光),典型的半亮度周期约为十年。然而,像Broadcom / Avago这样的公司已经推动了LED材料的最新技术,所以保证满足20年的规格要求,这对于这种情况通常是足够的。
电容隔离具有很高的抗磁噪声的能力,与光隔离相比,它可以支持更宽的带宽,因为没有LED需要切换。实际上,大多数物联网传感器应用都是低带宽的情况。电容耦合还涉及使用电场进行数据传输,因此可能容易受到来自外部电场的干扰。

模拟与数字隔离

到目前为止,我们已经研究了物联网传感器的模拟隔离技术(图13)。
物联网传感器的隔离技术图
图13:在模拟隔离拓扑结构中,传感器信号保持为模拟信息(无论隔离器本身发生了什么),直到它到达非隔离端,可以将其转换为数字格式供进一步使用。(图片来源:美国国家仪器)
但是,还有一个基本的架构替代方案:数字隔离,其中模拟传感器的输出在隔离端被调节和数字化,然后数字输出通过数字隔离屏障(图14)
数字化隔离端的信号图
图14:另一种经常有吸引力的方法是将隔离端的信号数字化,然后通过数字隔离屏障传递转换结果。与模拟隔离设计相比,这允许实现非常不同的隔离功能。(图片来源:美国国家仪器)
与模拟隔离一样,这种屏障可以使用三种技术中的任何一种,但其内部设计专门针对数字信号进行了优化,通常可以支持数十Mbps的数据。此外,对于数字隔离,还有一个新的第四类选项使用调制射频载波而不是调制(LED)光。Silicon Labs的Si863x系列就是这种器件的一个很好的例子(图15)。
来自Silicon Labs的Si863x系列数字隔离器的图表
图15:来自Silicon Labs的Si863x系列数字隔离器使用调制RF载波而不是光传输信号,同时提供隔离。(图片来源:Silicon Labs)
随着ADC成本下降,供应商围绕I 2 C和LVDS 等接口进行标准化,数字隔离技术的使用变得越来越有吸引力。缺点是隔离侧需要更多电路。这意味着需要更多的隔离电源,增加成本和占地面积。
然而,再次,低功耗高性能ADC的进步使得这个问题变得不那么重要了。ADI公司的标准接口数字隔离器(例如用于I 2 C 的1 MHz ADUM1250和用于LVDS的600 Mbit / sec ADN4651)简化了这种设计方案。多芯片IC封装中还有集成了隔离功能的ADC,例如16位ADI公司的AD7401A,它们使整个转换和隔离过程对用户是透明的。
最后,还有多通道隔离的问题。虽然许多物联网应用只有一个或两个需要隔离的传感器,但其他的可能有四个,八个或更多。在这种情况下,单个模拟隔离器可能会过大,成本高,耗电大,
另一种方法是使用多通道ADC或具有前端多路复用器的单通道器件(全部在隔离侧),以更高速度的数字隔离来传输结果。这可能比简单的每通道隔离更具功率,空间和成本效益。

结论

模拟传感器隔离是许多物联网应用中信号完整性,系统安全性和用户保护的关键问题。三种可行的竞争技术可以实现隔离,每种技术在性能上有许多相似之处,但有一些细微差别。数字隔离,在传感器数字化隔离侧,也是在许多应用中考虑的一个选项。

用户喜欢...

这些传感器具有额外的感官感知

传感器是物联网(IoT)的支柱,用于从监控脉冲到家中空气质量的各个方面。它们可以跟踪电机的运行情况,甚至跟踪运动。 Microchip的MGC3140(图1)是一款三维(3D)手势识别控制器,面向汽车...


7 轴集成式解决方案(陀螺仪 + 加速计 + 压力)

InvenSense 的 ICM 20789 是 7 轴高性能集成式 6 轴惯性和气压压力传感器 InvenSense7 轴 ICM-20789 是一款集成的 6 轴惯性器件,结合了 3 轴陀螺仪、3 轴加速计和超低噪声 MEMS 电容式压力传感器,采用...


SmartMotion 开发解决方案具有 Microchip Technology SAMG55 主机控制器和 InvenSense 运动传感器

SmartMotion 开发平台 TDK 的 SmartMotion 开发解决方案具有 Microchip Technology SAMG55 主机控制器和 InvenSense 运动传感器 TDKSmartMotion 平台是InvenSense运动传感器设备的全面开发套件。该平台围绕Microchip的...


ZMOD4410 室内空气质量传感器 IDT 的室内空气质量传感器平台设计用于检测总挥发性有机物

ZMOD4410 室内空气质量传感器 IDT 的室内空气质量传感器平台设计用于检测总挥发性有机物 IDTZMOD4410 气体传感器模块设计用于检测总挥发性有机化合物 (TVOC) 和监测室内空气质量 (IAQ)。该器件是一...


ams ENS210相对湿度与温度传感器集成湿度传感器与高准确度温度传感器

ams ENS210相对湿度与温度传感器集成湿度传感器与高准确度温度传感器,采用 QFN4 封装。 ENS210内含一个I 2 C从属接口,用于与主处理器通信。 ENS210作业温度范围介于-40C至100C,作业相对湿度范围...


AWR1642 Single-Chip 77- and 79-GHz FMCW Radar 传感器

AWR1642 Single-Chip 77- and 79-GHz FMCW Radar Sensor...


德州仪器的AWR1642和IWR1642是集成DSP和MCU的单芯片76 GHz至81 GHz FMCW雷达传感器

AWR1642和IWR1642器件是独立的FMCW雷达传感器单芯片解决方案,可简化汽车雷达(AWR1642)和毫米波传感器在76 GHz至81 GHz频段的实施。它们采用德州仪器的低功耗45纳米RFCMOS工艺制造,该工艺能够单片...




惯性MEMS:从提升生活品质到 拯救生命

运动是生命中不可或缺的重要组成部分。能够移动的人似乎在一刻不停地运动着,而不能移动的人则可能需要借助某种形式的机械助力来帮助实现运动。因此,不难想象,能够测量这种运动的惯...


用MEMS传感器感知工业自动化的世界

工业4.0和工业物联网(IIoT)等举措正在帮助制造组织提高生产流程的效率。基于云的分析应用程序负责整理和提供运行生产或制造操作的许多不同方面的环境。这些应用程序从工厂车间和各种...


工作在Sub-GHz频段的无线模块为传感器网络提供了一条更加简单的途径

为了提高我们生活的方式的效率,工业化世界变得更加自动化。除了财务影响之外,提高效率可以对环境产生积极影响,因为我们使用的自然资源更少,污染物也更少。 自动化以需要以数据形...


JDI的手指传感器:太迟了?

日本显示公司(JDI)推出一款透明的基于玻璃的电容式指纹传感器。 对于已经陷入困境的索尼 - 东芝 - 日立合作的JDI,传感器代表了一个全新的市场。业内分析师指出,虽然基于TFT的指纹传感...


设计无传感器FOC电机控制的一种快速而简单的方法

电机控制应用设计人员今天面临来自市场,竞争对手和监管机构的压力,要优化其系统的性能和效率,同时将电子系统的成本降到最低。从家用电器中的泵,风扇和压缩机到无人机和电动自行车...


TDK Invensense ICM-20789 7轴惯性和气压传感器

TDK Invensense ICM-20789 7轴惯性和气压传感器在单个小尺寸内提供分立元件的性能,用于跟踪旋转和线性运动以及压差。ICM-20789是一款集成式6轴惯性装置,将3轴陀螺仪,3轴加速度计和超低噪声MEM...


Maxim MAXREFDES82智能力传感器参考设计

Maxim MAXREFDES82智能力传感器参考设计采用下一代工业智能力传感器。MAXREFDES82安装在多通道,24位模数转换器(ADC)的称重传感器的象限上,可检测放置在平台上的物体的重量和质量中心。规模...