数字电源中的隔离—原因及方式
基于两次采样的大动态微弱信号探测
基于两次采样的大动态微弱信号探测周传航;罗向东;邵佩旭【摘要】在大动态微弱信号检测领域,为了提高探测系统的ADC模数转换器(Analog-to-Digital Converter)的精度,以滨松公司的CCD电荷耦合器件(Charge-Coupled Device)传感器芯片S11156,选择16位精度的ADI公司的AD9265芯片与AD9747芯片,使用两次采样的设计原理,搭建硬件电路,通过对微弱信号的放大,实现低精度ADC对信号的检测,仿真结果表明可以实现在不改变ADC位数的情况下,实现高精度的测量,满足特定情况下的探测需要.同时硬件电路调试时与仿真结果相吻合.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2019(042)004【总页数】7页(P891-897)【关键词】微弱信号检测;ADC;两次采样;高精度【作者】周传航;罗向东;邵佩旭【作者单位】南通大学电子信息学院,江苏南通226019;南通大学电子信息学院,江苏南通226019;南通大学电子信息学院,江苏南通226019【正文语种】中文【中图分类】TN79.2一般电路系统都需要模数转换器(ADC)将模拟信号转换成数字信号进行进一步的处理。
常用来提高ADC的速度和精度的技术有时间交织技术、校正技术以及异步电路[1]。
考虑到高精度ADC成本高,速度低的特点,本文采用两次采样的原理来提高ADC的测量精度,同时确保速度的要求,达到速度与精度的折中。
1 CCDS11156芯片简介本文选用了线阵CCD—S11156,它是由日本滨松所生产的,是一款背照式CCD,CCD在近红外区域有较高的量子效率[2]。
实物图如图1所示。
S11156线阵CCD的有效像素为2 048×1,有效感光面积28.672 mm×0.5 mm,单个像素的动态范围为6 670,最大读出速度10 MHz/s.图1 滨松背照式线阵CCD传感器S11156一般CCD的动态范围FWC/Nr为1 000∶1到10 000∶1[3],因此通常使用16 bit(65536)的ADC来处理信号,其中FWC为一个单元的满阱容量FWC(Full well capacity),Nr为读出噪声Nr(Readout noise)。
使用数字隔离器简化医疗和工业应用中的USB隔离
使用数字隔离器简化医疗和工业应用中的USB隔离目前在办公室和家庭中使用的标准信息处理设备——个人电脑（PC），使用通用串行总线（USB）与大多数外设进行通讯。
标准化、低成本及软件和开发工具的支持已使个人电脑成为医疗和工业应用很具吸引力的主处理器平台，但这些增长中的市场对安全性和可靠性要求（特别是在电气隔离方面）与一直以来推动个人电脑发展的办公室环境有很大不同。
早期的个人电脑以串行和并行端口作为与外部世界连接的标准接口。
这些标准是从最早的大型计算机继承而来的。
另一个可用的通讯标准RS-232接口，虽然速度慢，但因为可简单地实现所需要的鲁棒隔离，很适合医疗和工业环境。
由于得到广泛使用并有良好的支持，人们容忍了其速度低和点对点的缺点。
USB接口已取代RS-232，成为个人电脑及其外设的标准端口，其特性几乎在所有方面都远远优于较老的串行端口。
然而，对于要求隔离的医疗和工业应用，由于实现隔离的难度大且成本高，USB一直主要用作诊断端口和临时连接。
本文讨论了对USB实现隔离的各种方法。
值得特别介绍的是，ADI公司现提供了一个新的可选方案——ADuM41601 USB隔离器。
这一突破性产品可简单廉价地实现外设隔离（特别是D+和D-线的隔离），提高了USB在医疗和工业应用中的使用价值。
关于通用串行总线USB是个人电脑的首选串行接口。
该接口得到所有常用的商业操作系统的支持，且允许硬件和驱动器热插拔。
一台主机可以集中星型方式连接多达127个设备。
许多数据传输模式可处理存储设备的大批量数据传输、流媒体的同步传输以及时间关键型数据的中断驱动型传输（如鼠标移动）等各类传输。
USB以三种数据传输速率运行：低速（1.5Mbps）、全速（12Mbps）和高速（480Mbps）。
该规范创建后强化了消费应用，这些应用要求连接必须简单且具有鲁棒性，由控制器和物理层信令来解决复杂性的问题。
USB物理层只包含4条线：两条向外设提供5V电源和地，另外两条（D+和D-）构成可传递差分数据的双绞线对（图1）。
数字电源中的隔离-原因及方式
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数字地、模拟地隔离——系统抗干扰
数字地与模拟地的隔离探讨1.数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，对信号线来说，高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件，对地线来说，整个PCB对外界只有一个结点，所以必须在PCB内部进行处理数、模共地的问题，而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的它们之间互不相连，只是在PCB与外界连接的接口处(如插头等)数字地与模拟地有一点短接，请注意，只有一个连接点。
也有在PCB上不共地的，这由系统设计来决定。
但是，制做PCB板时一般都做铺铜走线，而走线都与GND相联，请问，铺铜之后，模拟地和数字地还能区分出来吗，还能像上面说的那样，只有一个联接点吗?两个地起不同的名字，分别辅铜，最后可以用一个10uH电感或0欧姆电阻连起来。
模拟部分的器件尽量集中，放置在与其它板子接口的附近，减小信号衰减。
数字部分线路长一些没关系。
先对模拟地敷铜，然后对整个板敷数字地。
模拟地和数字地之间会自动分隔，用一个1uH的电感或0欧的电阻作为共地点。
2在电子系统设计中，为了少走弯路和节省时间，应充分考虑并满足抗干扰性的要求，避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施。
形成干扰的基本要素有三个：(1)干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：du/dt， di/dt 大的地方就是干扰源。
如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。
(2)传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。
典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。
(3)敏感器件，指容易被干扰的对象。
如：A/D、D/A变换器，单片机，数字IC，弱信号放大器等。
抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能。
(类似于传染病的预防)1 抑制干扰源抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt，di/dt。
这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。
减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。
一种PM2.5检测传感器设计
Ｙ Ａ Ｎ Ｇ Ｙ ｏ ｎ ｇ － ｊ ｉ ｅ ， Ｚ Ｈ Ａ Ｎ Ｇ Ｙ ｕ — ｓ ｈ ｅ ｎ ｇ ， Ｙ Ａ Ｎ Ｇ Ｓ ａ ｉ － ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ ， Ｚ Ｈ Ａ Ｎ Ｇ Ｘ ｉ ａ ｏ － ｍ ｅ ｉ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ， Ｎ ａ ｎ ｔ ｏ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｎ ａ ｎ ｔ ｏ ｎ ｇ ２ ２ ６ ０ １ ９， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
光 电传感器是采用光 电元件作为检测元件把 被测 量的
变化转换成光信号 的变化 ， 然 后借助 光 电元 件进 一步将 光 信号转换成 电信号 ， 根据 电信 号 的变 化就 可 以间接得 到被 测量的大小 。采用的雪崩 光 电二 极管有 着 良好 性能 ， 光 电
流的大小与光照强度呈 正 比， 能够根 据光 照强度 的变化 而 灵敏地产生相应 电流 。本 系统采 用对射 型检测 方式 ， 把 发 射器与接收器相互对 射安装 ， 使发 射器发 出 的光 能进入 接
收器 。当有检测物体进 入发ห้องสมุดไป่ตู้ 器和接 收器之 间时 ， 被测 物
就会遮蔽光线而导致 进入接 收器 的光量减 少 ， 根据接 收器 光量 的变化就可 以检测被 测物 的含 量 。此方 法稳定 性 高 、
4~20mA电流环与信号隔离器原理及应用
4~20mA电流环工作原理2008-04-07 22:40在工业现场，用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输，会产生以下问题：第一，由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰；第二，传输线的分布电阻会产生电压降；第三，在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题。
为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，我们用电流来传输信号，因为电流对噪声并不敏感。
4～20mA的电流环便是用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度，而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警。
4～20mA电流环有两种类型：二线制和三线制。
当监控系统需要通过长线驱动现场的驱动器件如阀门等时，一般采用三线制变送器，这里XTR位于监控的系统端，由系统直接向XTR供电，供电电源是二根电流传输线以外的第三根线。
二线系统是XTR和传感器位于现场端，由于现场供电问题的存在，一般是接收端利用4～20mA的电流环向远端的XTR供电，通过4～20mA来反映信号的大小。
4～20mA产品的典型应用是传感和测量应用，见图1。
在工业现场有许多种类的传感器可以被转换成4～20mA的电流信号，TI拥有一些很方便的用于RTD和电桥的变送器芯片。
由于TI的变送器芯片含有通用的功能电路比如电压激励源、电流激励流、稳压电路、仪表放大器等，所以可以很方便地把许多传感器的信号转化为4～20mA的信号。
图1 (略)电桥传感器的大多数应用是用于测量压力。
在一个实际电路中，如果惠斯登电桥每条臂上的电阻为2k ，那么无论从激励电压端或差分输出端看进去，它的等效电阻都是2k 。
在没有压力的时候，它的电桥是平衡的，输出电压为0。
当施加压力时，由于电桥失衡，会产生一个差分电压，差分电压便会反映这个压力的大小。
满度和色调是压力传感器的两个主要技术指标，现实世界里使用着的传感器都存在着一定的非线性，它的输出电压会随着温度的变化而变化。
输出电压随温度的变化不是线性的，满度和色调都具有这种性质。
数字地和模拟地处理的基本原则
数字地和模拟地处理的基本原则作者：未知时间：2010-3-17 19:48:03在电子系统设计中，为了少走弯路和节省时间，应充分考虑并满足抗干扰性的要求，避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施。
形成干扰的基本要素有三个：（1）干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：du/dt，di/dt大的地方就是干扰源。
如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。
（2）传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。
典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。
（3）敏感器件，指容易被干扰的对象。
如：A/D、D/A变换器，单片机，数字IC，弱信号放大器等。
抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能。
（类似于传染病的预防）1 抑制干扰源抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt，di/dt。
这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。
减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。
减小干扰源的di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。
抑制干扰源的常用措施如下：（1）继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。
仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数。
（2）在继电器接点两端并接火花抑制电路（一般是RC串联电路，电阻一般选几K 到几十K，电容选0.01uF），减小电火花影响。
（3）给电机加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短。
（4）电路板上每个IC要并接一个0.01μF～0.1μF高频电容，以减小IC对电源的影响。
注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。
（5）布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。
（6）可控硅两端并接RC抑制电路，减小可控硅产生的噪声（这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的）。
模拟电路中EMC中隔离设计方案
把噪声干扰的路径切断，从而达到抑制噪声干扰的效果。
在低频情况下，采用了隔离的措施以后，绝大多数电路都能够取得良好的抑制噪声的效果，使设备符合低频EMC的要求。
隔离分类常见的电路隔离常用在以下几种情况：模拟电路内的隔离对于模拟信号测量系统，其隔离电路相对比较复杂，既要考虑其精度、频带宽度的因素，又要考虑其价格因素。
同时既有高电压、大电流信号，又有微电压、微电流信号，这些信号之间需要进行隔离，实现在一定的频率下的隔离。
数字电路内的隔离数字量输人系统主要采用脉冲隔离变压器隔离、光电耦合器隔离；而数字量输出系统主要采用光电耦合器隔离、继电器隔离，个别情况也可采用高频隔离变压器隔离。
模拟电路与数字电路之间的隔离一般来说，模拟电路与数字电路之间的转换通过模/数转换器（A/D）或数/模转换器（D/A）来实现。
但是，若不采取一定的措施，数字电路中的高频周期信号就会对模拟电路带来一定的干扰，影响测量的精度。
为了抑制数字电路对模拟电路带来的干扰，一般须将模拟电路与数字电路分开布线，但这种布线方式有时还不能彻底排除来自数字电路的干扰。
要想排除来自数字电路的干扰，可以把数字电路与模拟电路隔离开来。
常用的隔离方法是在A/D转换器与数字电路之间加入光电耦合器，把数字电路与模拟电路隔离开。
如果这种电路还不能从根本上解决模拟电路中的干扰问题，就把信号接收部分与模拟处理部分也进行隔离。
例如，在前置处理级与模数转换器（A/D）之间加人线性隔离放大器，在模/数转换器（A/D）与数字电路之间采用光电耦合器隔离，把模拟地与数字地隔开。
这样一来，既防止了数字系统的干扰进人模拟部分，又阻断了来自前置电路部分的共模干扰和差模干扰。
数模转（D/A）电路的隔离与模数转换（A/D）电路的隔离类似，因而所采取的技术措施也差不多。
EMC中隔离分析接下来以通过光耦隔离、继电器隔离和共模扼流圈（共模电感）隔离案例，理解EMC中隔离设计方法。
2.1、光耦隔离光电耦合器具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、无触点等特点，因而在各种电子设备上得到广泛的应用。
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数字电源中的隔离—原因及方式
随着互联网和通信基础设施的蓬勃发展，数字控制技术在电信、网络和计算机的电源系统中越来越受欢迎，因为这类技术具备灵活性、器件数量减少、先进的控制算法、系统通信、对外部噪声和参数变化不太敏感等极具吸引力的优势。
数字电源广泛用于高端服务器、存储、电信砖式模块等经常会有隔离需求的应用。
隔离在数字电源中的挑战是在紧凑的面积下如何快速准确地传输数字信号或模拟信号通过隔离边界。
1 然而，传统光耦的解决方案有带宽比较低，电流传输比(CTR)会随温度和时间发生大幅变化等问题。
而变压器的解决方案有体积庞大、磁饱和等问题。
这些问题限制了光耦合器或变压器在某些高可靠性应用、紧凑型应用以及长寿命应用中的使用。
本文讨论利用ADI公司iCoupler®产品的数字隔离技术，来解决在数字电源设计中遇到的这些问题。
需要隔离的原因
在设计电源时，遵守安全标准对于保护操作人员及其他人员免受电击和有害能量的侵害至关重要。
隔离是满足安全标准要求的重要方法。
许多全球机构（比如欧洲的VDE和IEC以及美国的UL）规定了不同输入和输出电压（稳态和瞬态）水平的隔离要求。
例如，在UL60950中介绍了五类绝缘：
功能绝缘：仅在设备正常运行时需要的绝缘。
基本绝缘：提供基本电击防护的绝缘。
补充绝缘：基本绝缘外的独立绝缘，用于在基本绝缘发生故障的情况下降低电击风险。
双重绝缘：包括基本绝缘和补充绝缘的一种绝缘。
加强绝缘：一种单一绝缘系统，提供一定程度的电击防护，在本标准规定的条件下相当于双重绝缘。
原边控制与副边控制对比
根据控制器的位置，隔离电源控制方式分为原边控制和副边控制两种。
表1对比了原边控制和副边控制的功能。
在下表中，UVP和OVP分别代表欠压保护和过压保护。
表1. 原边控制与副边控制的功能对比
副边控制
ADP1051是ADI公司先进的数字电源控制器，具有PMBus™接口，面向中间总线转换器等高功率密度和高效率应用。
2ADP1051基于灵活的状态机架构，提供众多颇具吸引力的特性，比如反向电流保护、预偏置启动、恒流模式、可调输出电压压摆率、自适应死区时间控制以及伏秒平衡，与模拟解决方案相比，减少了大量的外部元件。
一般而言，ADP1051更常用于副边控制，因为它与系统通信非常方便。
因此，同步整流器的PWM信号以及V OUT检测等信号无需跨越隔离边界与系统进行通信。
不过在这种情况下，需要辅助电源在启动阶段从原边向副边控制器ADP1051提供初始电力。
此外，来自ADP1051的PWM信号需要跨越隔离边界。
下文讨论了三种解决方案，即栅极驱动变压器、数字隔离器和隔离式栅极驱动器。
栅极驱动变压器
图1显示了采用栅极驱动变压器解决方案的数字电源的功能框图。
在此解决方案中，副边控制器ADP1051向ADP3654发送PWM信号，ADP3654是双通道4 A MOSFET驱动器。
ADP3654随后驱动一个栅极驱动变压器。
栅极驱动变压器的功能是将驱动信号从副边传输到原边并驱动原边MOSFET。
辅助隔离电源在启动阶段为ADP1051供电。
图1. 采用ADP3654解决方案驱动栅极驱动变压器。
栅极驱动变压器解决方案的优势包括延时较少，成本更低。
但需要更仔细的栅极驱动变压器设计，因为变压器每过一段时间就需要复位，否则将会饱和。
对于半桥拓扑的栅极驱动变压器设计，经常采用双端变压器，如图2所示。
图2. 双端栅极驱动变压器。
图2所示为由ADP3654驱动的栅极驱动变压器的电路。
ADP3654的V OA输出和V OB输出通过隔直电容C DC 接到栅极驱动变压器。
考虑到所有工作条件下所需的最大伏秒数，为半桥选择最大50%的占空比。
选择磁芯后，可以使用下方的公式1计算初级绕组NP的数量：
其中，V DD是初级绕组两端的电压，f s是开关频率，∆B是半个开关周期内的峰峰磁通密度变化，A e是磁芯的等效横截面积。
当V OA驱动为高电平且V OB驱动为低电平时，Q1开启，Q2关闭。
当VOB驱动为高电平
且V OA驱动为低电平时，Q2开启，Q1关闭。
需要注意的是，该栅极驱动变压器适用于对称半桥，不适用于非对称半桥或其他有源钳位拓扑。
数字隔离器
图3显示了实施数字隔离器解决方案的数字电源的功能框图。
双通道数字隔离器ADuM3210用作数字隔离，可将来自副边控制器ADP1051的PWM信号传输到原边半桥驱动器。
图3. 数字隔离器解决方案。
相比复杂的栅极驱动变压器设计，数字隔离器解决方案尺寸更小，可靠性更高，使用更简单。
此解决方案没有占空比限制，也没有饱和问题。
由于节省了50%以上的PCB空间，因此可实现高功率密度设计。
隔离式栅极驱动器
为了进一步简化设计，集成了电气隔离和强大栅极驱动功能的4A隔离式半桥栅极驱动器ADuM7223提供独立的隔离式高端和低端输出。
图4显示了隔离式栅极驱动器解决方案。
图4. 隔离式栅极驱动器解决方案。
在图5中，将ADuM7223隔离式栅极驱动器配置为自举栅极驱动器来驱动半桥。
DBST是外部自举二极管，C BST是外部自举电容。
在低端MOSFET Q2开启的每个周期内，V DD会通过自举二极管为自举电容充电。
为最大限度降低功耗，需要使用正向压降低且反向恢复时间短的超快二极管。
图5. 隔离式栅极驱动器配置为自举栅极驱动器。
原边控制
由于原边控制无需辅助隔离电源，并且具有简单的控制架构，因此在某些低成本应用中，原边控制更为普遍。
根据隔离控制路径，下文论述了三种解决方案：线性光耦合器、普通光耦合器（带标准放大器）以及隔离式放大器。
线性光耦合器
隔离数字电源中的输出电压通常需要快速准确的隔离反馈。
光耦合器经常用于将来自副边的模拟信号发送到原边，但其CTR会随着温度而发生极大变化，且性能也会随着时间推移而下降。
图6显示了TCET1100的归一化CTR与环境温度特性。
在该图中，CTR的变化率在–25°C到+75°C的范围内会超过30%。
图6. TECT1100的归一化CTR与温度。
如果在反馈环路中直接使用普通光耦合器来传输输出电压时，很难保证输出电压精度。
而普通光耦合器与误差放大器配合使用，一般是传输补偿信号而不是输出电压信号。
而ADP1051在芯片内部已实现了数字环路补偿，因此不再需要补偿信号。
一种解决方案是使用线性光耦合器来线性传输输出电压，如图7所示。
但线性光耦合器成本高昂，这意味着用户必须支付额外费用。
图7. 线性光耦合器解决方案。
普通光耦合器（带标准放大器）
另外可使用一个普通光耦合器和一个标准放大器来实现原边控制电路，如图8所示。
在本例中，可实现高输出电压精度，不会因为光耦合器的CTR温度变化而发生大幅变化。
测量结果表明，输出电压变化范围为±1%，当CTR范围为100%-200%。
图8. 光耦合器（带放大器）解决方案。
CTR公式如下
当CTR随温度而变化时，放大器的输出将补偿此变化以保持输出电压的高精度。
需要注意的是，放大器的稳定工作点和摆幅范围应设计得足以满足CTR随温度而变化的要求，以防放大器的输出饱和。
隔离式放大器
第三种解决方案是隔离式放大器，比如图9所示的ADuM3190。
ADuM3190是一种隔离式放大器，与光耦合器相比，具有高带宽和高精度的特性，因此非常适合具有原边控制器的线性反馈电源。
与常用的光耦合器和分流稳压器解决方案相比，该解决方案在瞬态响应、功率密度和稳定性方面均有所提高。
只要设计得当，ADuM3190可实现±1%的输出电压精度。
图9. 隔离式放大器解决方案。
结语
如今由于电信、网络及计算机电力系统的安全性、高可靠性、高功率密度以及智能管理的要求日益提高，隔离技术将发挥越来越重要的作用。
与传统的光耦合器和变压器解决方案相比，ADI公司的iCoupler ADuM3210、ADuM7223和ADuM3190结合数字电源控制器ADP1051可提供高可靠性、高带宽和高功率密度的解决方案。