電子設(shè)備在使用及設(shè)計(jì)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(dòng)器內(nèi)潛藏著危險(xiǎn)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(jì)，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(jì)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(gè)高速及一個(gè)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。

 

藍(lán)色路徑中處理的高速訊號會(huì)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(huì)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(jì)時(shí)器(WD)則會(huì)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(shí)間會(huì)超出監(jiān)視計(jì)時(shí)視窗之外，這使得監(jiān)視計(jì)時(shí)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(jìn)行脈沖寬度調(diào)變(PWM)。這會(huì)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)可說是設(shè)計(jì)方面的限制，圖2顯示如何隔離低電壓SPI、高電壓RS232、差動(dòng)USB及差動(dòng)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。

 

由于數(shù)位隔離器的升高與降低時(shí)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(dòng)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(jì)，則必須使用控制的阻抗傳輸線。

 

PCB設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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?yàn)檫@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(qiáng)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(jì)，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。

 

分布在頂層的高速訊號跡線能夠確實(shí)連接隔離器及對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器，而且必須將訊號跡線的長度縮短，并避免使用過孔，進(jìn)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(shí)達(dá)到接地層及訊號跡線之間的電藕合，這會(huì)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(gè)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(jìn)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(shí)間為1奈秒)及超過30公厘(收發(fā)訊號時(shí)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。

 

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(dòng)態(tài)輸出阻抗r0。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)

為了維持訊號的完整性及低EMI，下列是幾項(xiàng)關(guān)于布線的主要建議要點(diǎn)。

 

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(shí)便會(huì)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。

 

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(yùn)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?yàn)檫^孔電感會(huì)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(huì)搭配獨(dú)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(huì)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(jìn)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。

 

使用多個(gè)過孔來連接旁路電容及其他防護(hù)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。