1 TI 技術(shù)手冊(cè)

在當(dāng)今不斷發(fā)展的工業(yè)世界中，改善流程、質(zhì)量和一致性需要從實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化開(kāi)始。系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備（例如現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送器）的發(fā)展使工廠的生產(chǎn)更加高效和可靠。環(huán)路供電式現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送器是一種傳感器類型，使用兩線制 4-20mA 總線為設(shè)備供電并與之通信。這樣就不需要額外的接線和元件來(lái)單獨(dú)為系統(tǒng)供電，因此可以節(jié)省工廠的材料和安裝成本。

現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送器包括傳感器、發(fā)送器，在某些情況下還包括隔離器。當(dāng)傳感器能夠以電氣方式連接到不同于環(huán)路電源的電壓電位時(shí)，便需要隔離。整個(gè)系統(tǒng)采用 4-20mA 供電電流，因此零標(biāo)度值決定了系統(tǒng)的最大預(yù)算，約為 3.3mA。任何元件（包括隔離器）的節(jié)能效果都可以傳導(dǎo)到系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)更大程度的終端產(chǎn)品差異化。圖 1 展示了一個(gè)典型的方框圖，其中包含系統(tǒng)通信總線和供電電流流向。

圖 1-1 具有 PLC 輸入模塊的環(huán)路供電式現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送器

對(duì)于過(guò)程自動(dòng)化終端設(shè)備的設(shè)計(jì)人員而言，在 4-20mA 回路供電式現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送器中實(shí)現(xiàn)隔離會(huì)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。這些系統(tǒng)需要嚴(yán)格的功率預(yù)算，因此應(yīng)做出相應(yīng)的決策以權(quán)衡性能與功能。設(shè)計(jì)人員可能會(huì)擔(dān)心，集成式隔離會(huì)占用布板空間，同時(shí)還會(huì)從系統(tǒng)的其他重要模塊中奪走大量功率，從而可能限制設(shè)備性能。但是，數(shù)字隔離技術(shù)的進(jìn)步使功耗降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，并增加了隔離器通道密度，從而使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)傳感器系統(tǒng)時(shí)具有更多靈活性。

從歷史上看，唯一可用的低功率隔離選件是脈沖變壓器或光耦合器。在這些隔離解決方案中，每個(gè)通道可消耗 500μA 至 1mA 的電流，迫使設(shè)計(jì)人員將跨隔離柵的通信線路數(shù)量減至最低，或減慢數(shù)據(jù)傳輸速度。可能會(huì)使用第二個(gè)微控制器 (MCU) 之類的其他元件減少跨隔離柵的通信線路，這會(huì)進(jìn)一步消耗更多有限的功率預(yù)算。在這些解決方案中，由于隔離線路過(guò)少，會(huì)將通信速度以及某些情況下的數(shù)據(jù)傳輸速率限制到單一方向。圖 2 所示的一個(gè)典型實(shí)現(xiàn)方案使用脈沖變壓器作為單向解決方案，在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送器中實(shí)現(xiàn)隔離，并使用附加的 MCU 將隔離式數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換為單線。

圖 1-2 現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送器 - 用于數(shù)據(jù)隔離的單通道脈沖變壓器

德州儀器 (TI) 的 ISO70xx 數(shù)字隔離器系列在小型 8 引腳 D 和 16 引腳 DBQ 封裝中集成了兩至四個(gè)超低功耗數(shù)字隔離器通道。此器件根據(jù) UL1577 提供高達(dá) 3.0kVrms 的隔離額定值，并根據(jù) VDE 提供 400Vrms 的隔離工作電壓。在環(huán)路供電式現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送器中，ISO70xx 系列可用于替代光耦合器或脈沖變壓器，并減小了功耗和封裝尺寸。圖 3 所示為現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送器中使用的四通道 ISO7041 的一個(gè)示例。

圖 1-3 現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送器 - 用于多通道和雙向數(shù)據(jù)隔離的 ISO7041

在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送器中使用數(shù)字隔離器的好處：

• 功率可擴(kuò)展性：ISO7041 的功率隨數(shù)據(jù)傳輸速率而定，如圖 4 所示。在 10kbps 的速率下，所有四個(gè)通道的總功耗低于 20μA。節(jié)省的功率可以分配給傳感器，從而提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性或精度。
  圖 1-4 ISO7041 單通道功率與數(shù)據(jù)速率間的關(guān)系
• 提高數(shù)據(jù)吞吐量：四個(gè)數(shù)字隔離器通道能夠以高達(dá) 2Mbps 的速度運(yùn)行，同時(shí)以極低的功耗輕松實(shí)現(xiàn)雙向通信。這種靈活性使設(shè)計(jì)人員可以重新考慮和重新設(shè)計(jì)傳感器與發(fā)送器之間的數(shù)據(jù)傳輸方式。
• 更寬泛的溫度范圍：ISO7021 和 ISO7041 的額定溫度范圍是 -55°C 至 125°C，而大多數(shù)光耦合器的最高額定溫度為 85°C。市場(chǎng)上有一些額定溫度為 105°C 的光耦合器，但價(jià)格較高。
• 解決方案尺寸更?。河糜跀?shù)據(jù)隔離的單通道脈沖變壓器需要最大 50mm² 的電路板表面積，另外還需要 5mm 的高度。光耦合器設(shè)計(jì)占用相似的電路板面積甚至更大的面積，具體取決于數(shù)據(jù)線路的數(shù)量。采用 16 引腳 DBQ 封裝的 ISO7041 在高度要求為 2.5mm 的 17.5mm² 面積上提供四個(gè)數(shù)據(jù)隔離通道?？傮w而言，數(shù)字隔離器解決方案是更緊湊的設(shè)計(jì)，采用更低的封裝高度。
• 穩(wěn)定性和可靠性：ISO70xx 使用 TI 的電容隔離技術(shù)，其中由 SiO₂ 電介質(zhì)制成的高壓電容器可提供高水平的隔離。高壓電容器采用良好控制的半導(dǎo)體工藝制造，并且零件之間的差異非常小。另外，隔離柵的壽命由時(shí)間相關(guān)電介質(zhì)擊穿 (TDDB) 技術(shù)準(zhǔn)確定義。光耦合器具有很大的制造不確定性，并且沒(méi)有明確而標(biāo)準(zhǔn)的方法來(lái)計(jì)算器件壽命。

多年來(lái)，在 4-20mA 環(huán)路供電式現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送器中，在傳感器與發(fā)送器之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離的唯一節(jié)能方式是使用單個(gè)脈沖變壓器。后來(lái)，低速光電耦合器解決方案以足夠的功率預(yù)算取代了脈沖變壓器?，F(xiàn)在，可使用超低功耗數(shù)字隔離器以極低的功率水平在傳感器和發(fā)送器之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離。ISO70xx 是實(shí)現(xiàn)電隔離的低功耗技術(shù)的最新版本。有關(guān) TI 隔離技術(shù)的更深入介紹，請(qǐng)參閱《實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和可靠的高電壓信號(hào)隔離》白皮書(shū)。ISO70xx 數(shù)字隔離器的尺寸、可擴(kuò)展性、技術(shù)可靠性以及超低功耗特性使其成為功耗受限設(shè)計(jì)的最佳選擇。