PCB信号隔离技术

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PCB信号隔离技术是使数字或模拟信号在发送时不存在穿越发送和接收端之间屏障的电流连接。这允许发送和接收端外的地或基准电平之差值可以高达几千伏,并且防止可能损害信号的不同地电位之间的环路电流,主要应用在:


(1)系统地的噪声比较大,容易使信号受损,隔离可将信号分离到一个干净的信号子系统地、电源中,保证隔离部分信号的可靠性,达到系统设计要求。
(2)系统电压差非常大。比如在强电电路中,我们通常是通过隔离,将工作电压转化到IC允许的工作范围之内。
(3)基准电平之间的电连接可产生一个对于操作人员不安全的电流通路。通过隔离将电流控制在安全范围之内。
在隔离技术中,设计者根据被隔离信号种类的不同和隔离要求,来选择不同隔离器件是关键:
(1)第一类隔离器件依赖于光发送器和接收器来跨越隔离屏障。主要有光耦合器(图4-18)和隔离收发器IC。通过光来隔断系统的电流,电容也避免电气上的干扰。这类器件用于数字信号。


(2)模拟变压器,通过变压器的电磁感来耦合发送信号和接收信号(图4-19)。变压器比较难制作,参数也很难精确控制,而且通常不可能制成IC,所以使用不是很方便。但线性化问题迫使模拟信号隔离采用变压器。



(3)为了克服变压器使用的不方便,工程师采用调制载波使模拟信号跨越这个屏障。所以想出了用电容器电路来耦合调制信号以跨越屏障。作用在隔离屏障上的高转换率瞬态电压可作为单电容屏障器件的信号,开发出双电容差分电路以使误差最小。现在电容屏障技术已应用在数字和模拟隔离器件中。
一、PCB信号隔离技术

1 隔离串行数据流
隔离数字信号有很大选择范围。假若数据流是位串行的,则选择方案范围从简单光耦合
器到隔离收发器IC。主要设计考虑包括:
(1)所需的数据速率;
(2)系统隔离端的电源要求;
(3)数据通道是否必须为双向。

基于LED的光耦合器是用于隔离设计问题的第一种技术。现在有基于LED IC可用,其数据速率为10Mb/s及以上。一个重要的设计考虑是LEC光输出随时间减小。所以在早期必须为LED提供过量电流,以使随时间推移仍能提供足够的输出光强。因为在隔离端可能提供电很有限,所以需要提供过量电流是一个严重的问题。因为LED需要的驱动电流可以大于从简单逻辑输出级可获得的电流,所以往往需要特殊的驱动电路。

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2 隔离并行数据总线系统
并行数字数据总线的隔离主要有六个设计参数,在串行的隔离的基础上,将增加三个更主
要的设计参量:
(1)总线的位宽度;
(2)容许的偏移度;
(3)时钟速度要求。
用一排光耦合器可完成这种任务,但支持电路可能很庞杂。光耦合器之间的传播时间失配将导致数据偏移,从而引起在接收端的数据误差。为使这种问题减至最小,采用隔离数字耦合器,支持在输入和输出端的双缓冲数据缓存。

3 模拟信号隔离
在很多系统中,模拟信号必须隔离。模拟信号所考虑的电路参量完全不同于数字信号。
模拟信号通常先要考虑:
(1)隔离精度;
(2)线性度;
(3)频率响应;
(4)噪声考虑;
(5)隔离电源。

对电源、地要求高,特别是对输入级,要求输入级的电源、地不受到电路其他部分的干扰,即采用隔离电源。也应该关注隔离放大器的基本精度或线性度不能依靠相应的应用电路来改善,但这些电路可降低噪声和降低输入级电源要求。

4 隔离用的多功能IC
带有隔离功能的多功能数据采集IC,使设计人员有机会在跨越隔离屏时完成多个任务。一个完整的数据采集器件可包含多路模拟开关、采样保持电路、可编程增益仪表放大器、A/D转换器和一个或多个数字I/O通道。所有这些功能都是过一个串行数据口进行控制的。

有很多器件可供设计人员选用,并使用在系统中地电位有很大差别的设计中。每一种器件都是针对独特系统要求而设计的。新器件性能集成的高水平,使得跨越隔离屏障能实现从前做不到的更复杂的操作。

二、PCB隔离信号布局布线
信号隔离不仅在电气上作隔离,同时在PCB板布局布线上也作尽量隔离,主要注意以下几点:

(1)注意隔离部分电路的布局,尽量布局在电路板的某一个部分,与其他电路有一定的分离。尽量保证该部分电路少受其他信号的干扰。
(2)注意隔离部分电源、地的隔离,一定要做好电源和地线的隔离,特别是模拟信号,对电源、地的干净度要求高,需要通过变压器来隔离该部分电路的电源、地。布线时也要布局分配独立的电源、地走线或者网络。
(3)隔离器件布局要合理放置,保证隔离部分的独立性。
(4)部分隔离电路需要进行静电保护、高压保护、电磁辐射保护等,注意流出保护设备的安装位置。
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