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采用電容式數(shù)位隔離器的PCB設(shè)計方法

發(fā)布時間 :2018-01-17 14:39 閱讀 : 來源 :技術(shù)文章責(zé)任編輯 :深圳宏力捷PCB設(shè)計部
電子設(shè)備在使用及設(shè)計上的安全性規(guī)范不斷更新,使得電震隔離器(galvanic isolator)幾乎成為所有資料擷取及資料傳輸系統(tǒng)的必備元件。感應(yīng)器及致動器內(nèi)潛藏著危險的高壓電,若要將控制系統(tǒng)的低電壓電路從中隔離出來,使用數(shù)位隔離器是其中一種方法。
 
為了簡化隔離系統(tǒng)的PCB設(shè)計,本文將說明電容式數(shù)位隔離器的基本功能與隔離器在訊號路徑中的位置,并且提供能成功設(shè)計出電路板的重要建議。
 
基本功能
圖1為電容式數(shù)位隔離器的簡明示意圖,其中包含一個高速及一個低速的訊號路徑。高速路徑(藍(lán)色)傳輸介于100kbps至150Mbps的訊號,而低速路徑(橘色)則傳輸介于100kbps至DC的訊號。 圖1:電容式數(shù)位隔離器簡明示意圖。
圖1:電容式數(shù)位隔離器簡明示意圖。
 
藍(lán)色路徑中處理的高速訊號會被電容式隔離障礙界定為快速暫態(tài),后續(xù)的正反器(FF)會接著將暫態(tài)轉(zhuǎn)換成與輸入訊號同形狀、同相位的脈沖,而內(nèi)部監(jiān)視計時器(WD)則會檢查高速訊號邊緣的固定出現(xiàn)次數(shù)。對于低頻率輸入訊號,連續(xù)訊號邊緣的持續(xù)時間會超出監(jiān)視計時視窗之外,這使得監(jiān)視計時器必須將輸出切換的位置從高速路徑(位置1)變換至低速路徑(位置2)。
 
低速路徑處理的功能元件比高速路徑多。由于低頻率輸入訊號需要隔離障礙才能承受大電容,因此輸入訊號被用來對內(nèi)部震蕩器(OSC)的載波頻率進行脈沖寬度調(diào)變(PWM)。這會創(chuàng)造出夠高的頻率,以便通過電容障礙。由于輸入已經(jīng)過調(diào)整,因此需要低通濾波器(LPF)來移除實際資料的高頻率載波,防止此載波傳導(dǎo)至輸出。
 
訊號鏈中的位置
數(shù)位隔離器分為單通道、雙通道、三通道及四通道裝置等型制,可用于單向及雙向操作。其中的共通點包括:未遵循任何特定介面標(biāo)淮;使用3V/5V邏輯切換技術(shù);僅能利用電流來隔離數(shù)位單端(SE)資料線路。
 
最后一點可說是設(shè)計方面的限制,圖2顯示如何隔離低電壓SPI、高電壓RS232、差動USB及差動CAN/RS485等多種介面,不過,所有介面都需要將數(shù)位隔離器放置在隔離介面的單端3V/5V部分中。
 
圖2:數(shù)位隔離器必須放置在隔離介面的單端部分中。
圖2:數(shù)位隔離器必須放置在隔離介面的單端部分中。
 
由于數(shù)位隔離器的升高與降低時間為1至2奈秒,所以長訊號線很可能出現(xiàn)訊號反射,原因是長訊號跡線的特性阻抗不符合隔離器輸出的來源阻抗。因此,建議將隔離器放置在其對應(yīng)資料槽與控制器、驅(qū)動器、接收器與收發(fā)器等資料來源的附近。對于無法做此配置的設(shè)計,則必須使用控制的阻抗傳輸線。
 
PCB設(shè)計要點
針對數(shù)位電路板,請使用標(biāo)淮FR-4環(huán)氧玻璃做為PCB材質(zhì),因為這種材質(zhì)符合UL94-V0需求,而且相較于低成本的材質(zhì),它能夠減少高頻率下的介電受損、降低濕度吸收、增加強度及硬度,并在可燃性方面提高自行熄滅的能力。
 
為了完成低EMI PCB設(shè)計,建議至少使用四層堆迭(圖3),其由上至下的堆迭順序如下:高速訊號層、接地平面、電源平面及低頻率訊號層。
 
圖3:建議的四層堆迭。
圖3:建議的四層堆迭。
 
分布在頂層的高速訊號跡線能夠確實連接隔離器及對應(yīng)的驅(qū)動器,而且必須將訊號跡線的長度縮短,并避免使用過孔,進而將跡線電感降至最低。
 
在高速訊號層下加入固定接地平面可確實達(dá)到接地層及訊號跡線之間的電藕合,這會對傳輸線路間的相互連接產(chǎn)生控制的阻抗,并且大幅減少電磁干擾(EMI),而且固定接地平面可以做為回流電流的絕佳低電感路徑。
 
在接地平面下加入電源平面,這兩個參考平面可額外產(chǎn)生大約100pF/in2的高頻率旁路電容。
在底層進行低速控制訊號的布線,這些訊號連結(jié)有足夠的容限可承受過孔造成的中斷,因此可達(dá)到更大的彈性。
 
控制的阻抗傳輸線都是具備特性阻抗Z0的跡線,而Z0深受其形狀影響。對于超過15公厘(收發(fā)訊號時間為1奈秒)及超過30公厘(收發(fā)訊號時間為2奈秒)的跡線,跡線阻抗必須符合隔離器的輸出阻抗Z0至rO(圖4),才能將訊號反射降至最低,這稱為來源阻抗匹配。
 
圖4:來源阻抗匹配:Z0至rO。
圖4:來源阻抗匹配:Z0至rO。
 
針對隔離器資料表所示的電壓電流輸出特性,使用與其相當(dāng)接近的線性區(qū)段,即可決定隔離器的動態(tài)輸出阻抗r0。根據(jù)經(jīng)驗法則,一般的輸出阻抗約為70Ω,因此,對于2盎司鍍銅的標(biāo)淮跡線厚度及4.5的FR-4介電來說,寬8公厘、高10公厘并位于接地平面上的跡線可產(chǎn)生必備的70Ω特性阻抗。
 
布線要點
為了維持訊號的完整性及低EMI,下列是幾項關(guān)于布線的主要建議要點。
 
為了將串音(crosstalk)降至10%以下,務(wù)必將訊號跡線彼此隔開,并保持其間距為訊號跡線至接地高度的3倍(d=3h)。由于訊號跡線的回流電流密度如1/[1+(d/h)2]函式所示,因此在密度到達(dá)d>3h時便會低到足以避免鄰近的跡線出現(xiàn)明顯的串音(圖5)。
 圖5:藉由d=3h將串音降至最低。
圖5:藉由d=3h將串音降至最低。
 
使用45°跡線彎曲(或倒角角隅)而非90°彎曲可維持有效的跡線阻抗,并避免訊號反射。
 
若要在雜訊極大的環(huán)境中運作,請將隔離器的未使用致能輸入穿過電阻(1kΩ至10kΩ)再連接至適當(dāng)?shù)膮⒖计矫?。另外,將高有?active-high)高致能輸入連接至電源平面,并且將低有效輸入連接至接地平面。
 
避免使用快速調(diào)節(jié)的訊號跡線來變換各層,因為過孔電感會增加訊號路徑的電感。
 
在隔離器及周圍電路之間使用短訊號跡線可避免雜訊夾帶的情形。數(shù)位隔離器通常會搭配獨立的DC/DC轉(zhuǎn)換器,以便供應(yīng)能跨越隔離障礙的電源。由于隔離器的單端傳輸訊號對于雜訊夾帶相當(dāng)敏感,所以長訊號線很容易就會夾帶鄰近DC/DC轉(zhuǎn)換器的切換雜訊。
 
將大量電容(亦即10μF)設(shè)置在電壓穩(wěn)壓器之類的供電來源附近,或設(shè)置在電源進入PCB的位置。
 
在裝置中放置較小的0.1μF或0.01μF旁路電容,方法是將電容的電源端直接連接至裝置的供電端子,然后穿過過孔連接至Vcc平面。另外,將電容的接地端穿過過孔,然后連接至接地平面(圖6)。
 
圖6:將旁路電容直接連接Vcc端子。
圖6:將旁路電容直接連接Vcc端子。
 
使用多個過孔來連接旁路電容及其他防護裝置,例如暫態(tài)電壓消除器及Zener二極體,可將接地連結(jié)的過孔電感降至最低。


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