1 TI 技術(shù)手冊

在當今不斷發(fā)展的工業(yè)世界中，改善流程、質(zhì)量和一致性需要從實現(xiàn)自動化開始。系統(tǒng)監(jiān)控設備（例如現(xiàn)場發(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)場發(fā)送器是一種傳感器類型，使用兩線制 4-20mA 總線為設備供電并與之通信。這樣就不需要額外的接線和元件來單獨為系統(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，便需要隔離。整個系統(tǒng)采用 4-20mA 供電電流，因此零標度值決定了系統(tǒng)的最大預算，約為 3.3mA。任何元件（包括隔離器）的節(jié)能效果都可以傳導到系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)更大程度的終端產(chǎn)品差異化。圖 1 展示了一個典型的方框圖，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)場發(fā)送器

對于過程自動化終端設備的設計人員而言，在 4-20mA 回路供電式現(xiàn)場發(fā)送器中實現(xiàn)隔離會是一項挑戰(zhàn)。這些系統(tǒng)需要嚴格的功率預算，因此應做出相應的決策以權(quán)衡性能與功能。設計人員可能會擔心，集成式隔離會占用布板空間，同時還會從系統(tǒng)的其他重要模塊中奪走大量功率，從而可能限制設備性能。但是，數(shù)字隔離技術(shù)的進步使功耗降低了一個數(shù)量級，并增加了隔離器通道密度，從而使設計人員在設計傳感器系統(tǒng)時具有更多靈活性。

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，每個通道可消耗 500μA 至 1mA 的電流，迫使設計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。可能會使用第二個微控制器 (MCU) 之類的其他元件減少跨隔離柵的通信線路，這會進一步消耗更多有限的功率預算。在這些解決方案中，由于隔離線路過少，會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 所示的一個典型實現(xiàn)方案使用脈沖變壓器作為單向解決方案，在現(xiàn)場發(fā)送器中實現(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超低功耗數(shù)字隔離器通道。此器件根據(jù) UL1577 提供高達 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)場發(fā)送器中使用的四通道 ISO7041 的一個示例。

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

在現(xiàn)場發(fā)送器中使用數(shù)字隔離器的好處：

• 功率可擴展性：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：四個數(shù)字隔離器通道能夠以高達 2Mbps 的速度運行，同時以極低的功耗輕松實現(xiàn)雙向通信。這種靈活性使設計人員可以重新考慮和重新設計傳感器與發(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。市場上有一些額定溫度為 105°C 的光耦合器，但價格較高。
• 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。光耦合器設計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計，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，隔離柵的壽命由時間相關(guān)電介質(zhì)擊穿 (TDDB) 技術(shù)準確定義。光耦合器具有很大的制造不確定性，并且沒有明確而標準的方法來計算器件壽命。

多年來，在 4-20mA 環(huán)路供電式現(xiàn)場發(fā)送器中，在傳感器與發(fā)送器之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離的唯一節(jié)能方式是使用單個脈沖變壓器。后來，低速光電耦合器解決方案以足夠的功率預算取代了脈沖變壓器。現(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)送器之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離。ISO70xx 是實現(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，請參閱《實現(xiàn)高質(zhì)量和可靠的高電壓信號隔離》白皮書。ISO70xx 數(shù)字隔離器的尺寸、可擴展性、技術(shù)可靠性以及超低功耗特性使其成為功耗受限設計的最佳選擇。