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                                  数字隔离器设计指南

                                  2021-01-16 06:49:13 发表

                                  本设计指南帮助系统设计师在尽可能短的时间内开始设计TI广泛的数字隔离器和隔离功能。该组合包括ISO78xx系列5.7-kVrms增强数字隔离器、ISO77xx系列5-kVrms数字隔离器、ISO73xx系列3-kVrms数字隔离器、ISO71xx系列2.5-kVrms数字隔离器等。本文档解释了隔离器的基本工作原理,建议了在系统设计中隔离器的位置,并推荐了电磁兼容(EMC)电路板设计的指导方针。

                                  进一步的信息可在各自的产品数据表和EVM手册中获得。


                                  内容

                                  1工作原理 .............................................................................................................................................................................................2

                                   1.1 Edge-Based沟通 ........................................................................................................................................................................2

                                   1.2通断键控(显得)建立沟通 .............................................................................................................................................................3

                                  2典型应用数字光电隔离器和隔离功能 ...........................................................................................................................................4

                                  3数字隔离器选择指南 ........................................................................................................................................................................6

                                   3.1参数感兴趣的 ................................................................................................................................................................................6

                                   3.2隔离器的家庭 ................................................................................................................................................................................7

                                  4 PCB设计指南 ....................................................................................................................................................................................9

                                   4.1印刷电路板材料 ............................................................................................................................................................................9

                                   4.2层堆栈 .............................................................................................................................................................................................9

                                   4.3爬电距离 .........................................................................................................................................................................................9

                                   4.4控制阻抗传输线 ...........................................................................................................................................................................10

                                   4.5参考平面 ........................................................................................................................................................................................12

                                   4.6路由 .................................................................................................................................................................................................13

                                   4.7通过 .................................................................................................................................................................................................15

                                   4.8去耦电容 .........................................................................................................................................................................................17

                                  5总结 ......................................................................................................................................................................................................18

                                  6参考文献 ..............................................................................................................................................................................................18


                                  数据列表

                                  1概念Edge-Based架构框图 ..............................................................................................................................................................3

                                  2通断键控的概念框图(显得)体系结构 .............................................................................................................................................3

                                  3代表信号的书架构 .............................................................................................................................................................................4

                                  4例16-Pin包隔离器 .............................................................................................................................................................................4

                                  5孤立的SPI接口 ....................................................................................................................................................................................5

                                  6隔离的rs - 232接口 ...........................................................................................................................................................................5

                                  7隔离的rs - 485接口 ...........................................................................................................................................................................6

                                  8集成隔离的rs - 485接口 ...................................................................................................................................................................6

                                  9推荐堆叠................................................................................................................................................................................................9

                                  10槽切割扩展有效爬电距离 .............................................................................................................................................................10

                                  11源阻抗匹配:Z0 ~罗 ........................................................................................................................................................................10

                                  12个隔离器输出特性 ..........................................................................................................................................................................11

                                  13特性阻抗的函数w / h比值 ............................................................................................................................................................11

                                  14通过导体之间的紧密电耦合减小电场边缘..................................................................................................................................12

                                  15地平面作为一个返回跟踪 ..............................................................................................................................................................13

                                  16日返回当前路径在固体与地面开槽的飞机 .................................................................................................................................13

                                  17个单独的痕迹来减少串扰 ..............................................................................................................................................................14

                                  18使用45°弯曲而不是90°弯曲 .........................................................................................................................................................14

                                  19避免通过间隙部分 ..........................................................................................................................................................................14

                                  20直接连接旁路电容器VCC终端 .....................................................................................................................................................15

                                  21日返回当前路径改变单个和多个层 .............................................................................................................................................16

                                  22日返回当前路径改变单个和多个层 .............................................................................................................................................16

                                  23电容器串联谐振电路建模的损失 .................................................................................................................................................17

                                  24电容器阻抗与频率 ..........................................................................................................................................................................18


                                  名单表

                                  1数字隔离器的家庭和孤立的功能 .....................................................................................................................................................8

                                  2微带方程0.2 < w / d < 1 ................................................................................................................................................................12


                                  商标

                                  所有商标均为其各自所有者的财产。


                                  1工作原理

                                  隔离是指在系统的两个部分之间防止直流和不必要的交流电流,同时允许信号和电力在这两个部分之间传输的一种方法。用于隔离的电子器件和半导体集成电路称为隔离器。一般来说,隔离器可以抽象为由高压隔离组件或屏障、将信号耦合到隔离组件一侧的发射机(TX)和将隔离组件另一侧可用的信号转换为数字电平的接收机(RX)组成。

                                  TI的隔离器使用SiO2(二氧化硅)为基础的高压电容器作为隔离元件。对于TX和RX电路,使用了两种不同的架构:基于边缘和基于开关键控(OOK)。这些架构将在1.1节和1.2节中解释。


                                  1.1 Edge-Based沟通

                                  基于边缘的通信原理框图如图1所示。ISO73xx、ISO74xx、ISO71xx、ISO76xx、ISO75xx和ISO72xx系列的隔离器以某种形式使用了这种体系结构。

                                  设备至少由两个数据通道组成,一个是带宽100kbps ~ 150Mbps的高频通道,一个是100kbps ~直流的低频通道。

                                  原则上,进入高频通道的单端输入信号通过输入端的逆变器门被分割成差分信号。下面的电容-电阻网络将信号区分为小而窄的瞬态,然后通过两个比较器将其转换为轨到轨的差分脉冲。比较器输出驱动一个非门触发器,该触发器的输出馈送给输出多路复用器。触发器驱动输出的决策逻辑(DCL)测量信号瞬变之间的持续时间。如果两个连续的瞬态信号之间的持续时间超过了一定的时间限制(如低频信号),DCL就会迫使输出多路复用器从高频通道切换到低频通道。

                                  由于低频输入信号需要内部电容承担禁止的大值,这些信号是脉宽调制(PWM)与内部振荡器的载频,从而创造一个足够高的频率,能够通过电容屏障。当输入被调制时,一个低通滤波器(LPF)需要从实际数据中去除高频载波,然后再将其传递到输出多路复用器。


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                                  图1.基于边缘的体系结构的概念框图


                                  1.2基于OOK (On-Off key)的通信

                                  基于ook的通信的概念操作如图2所示。对应的信令如图3所示。ISO78xx系列和ISO77xx系列的隔离器都使用这种架构。

                                  在这个架构中,传入的数字比特流被一个内部扩频振荡器时钟调制以产生OOK信令,这样一个输入状态被表示为传输载波频率,而另一个状态被表示为不传输。这个调制信号耦合到隔离屏障上,并以衰减的形式出现在接收端。接收路径包括一个前置放大器来获得传入信号,然后是一个包络检波器,它作为解调器来重新生成原始的数字模式。TX和RX信号调理电路用于改善通道的共模抑制,从而提高共模瞬态抗扰度(CMTI)。


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                                  图2.开关键控(OOK)体系结构的概念框图


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                                  图3.OOK体系结构中的代表性信号


                                  2.数字隔离器和隔离功能的典型应用

                                  image.png

                                  图4.示例隔离器在一个16引脚包


                                  一个典型的数字隔离器的引脚图如图4所示。它包括两个电源:VCC1和VCC2,两个接地:GND1和GND2,两侧的输入和输出引脚分别指向各自的接地。也就是说,在图4中,引脚1到8是指GND1,引脚9到16是指GND2。

                                  数字隔离器采用单端、CMOS或TTL逻辑、开关技术。VCC1和VCC2的电压范围通常在3v ~ 5.5 V之间,但有些设备可能支持更大的电压范围。例如,ISO78xx设备可以在2.25 V的电压下工作。当用数字隔离器设计时,重要的是要记住,由于是单端设计结构,数字隔离器不符合任何特定的接口标准,仅用于隔离单端数字信号线。

                                  隔离功能是附加功能(如收发器或门驱动程序)与隔离器集成在一起的设备。本节稍后介绍的集成隔离rs485就是一个例子。与数字隔离器不同,隔离功能可能需要符合某些标准。例如,一个隔离的I2C缓冲区将与I2C标准兼容。同样,一个隔离的功能可能需要更高的电源,例如,一个隔离的闸极驱动器可以使用±15 V来驱动IGBT闸极。

                                  由于各种原因,在现代电气系统中需要隔离。一些例子是保护人类操作员免受高压瞬态和防止损坏昂贵的处理器,asic或fpga在高压系统中,打破通信网络的地回路和通信到电机驱动或电力转换器系统的高端设备。需要隔离的应用示例包括工业自动化系统、电机驱动、医疗设备、太阳能逆变器、电源和混合动力汽车(HEV)。

                                  本节介绍数字隔离器和隔离函数的一些应用实例。更多的例子,详细的应用程序图和用例,请参考相应的产品数据表。

                                  图5展示了最简单的隔离器应用程序。在这里,整个电路构成了一个单端低压系统,其中一个数字隔离器将控制器的SPI接口与数据转换器的SPI接口连接起来。SPI接口中最常用的隔离器是ISO7x31和ISO7x41,因此通常被指定为3通道和4通道SPI隔离器。


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                                  图5.孤立的SPI接口


                                  全面,隔离的rs - 232接口在图6中需要两个四光电隔离器由于六个控制信号要求除了实际的数据行,RX和TX。尽管singleended整个系统,高压要求对称,13伏特汽车供应使得有必要电流的隔离UART和低压端之间的数据链路的总线收发器。此外,13伏直流母线也可能由更高的电源反过来产生,在这种情况下,隔离也可以作为一种保护手段,防止系统供电线路上的高压瞬变。


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                                  图6.隔离的rs - 232接口


                                  如图6中的例子所示,图7中的RS-485接口的隔离发生在控制器和总线收发器之间。尽管整个接口电路是一个低压系统,但传输母线的差动特性要求在单端事先隔离。在一个多节点分布式RS-485网络中,不同的节点可能会参考不同电位的接地,在这种情况下,通过在这些地电位之间的电平移动,隔离使通信成为可能。


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                                  图7.隔离的rs - 485接口


                                  由于图8所示接口的简单性,可以将隔离器功能集成到收发器电路中,从而提供一种具有低成本和低组件计数的特定应用隔离器设备。图8是一个孤立函数的示例。


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                                  图8.集成隔离RS-485接口


                                  并不是所有数字隔离器和隔离函数的应用都在这里讨论。这些只是理解如何在系统中放置隔离器的示例。更多的例子,详细的应用程序图,和用例,请参考相应的产品数据表。


                                  3 .数字隔离器选择指南

                                  本节首先描述选择数字隔离器或隔离功能时要寻找的关键参数,然后简要介绍TI目前提供的隔离器和隔离功能系列。

                                  请参阅以下链接,了解全面的隔离器选择指南。

                                  有关所有隔离产品的概览以及到不同参数化产品选择指南的链接,请访问:

                                  http://www.ti.com/isolation/overview.html

                                  有关数字隔离器的参数化选择指南,请访问:

                                  http://www.ti.com/lsds/ti/isolators/digital-isolator-products.page

                                  有关隔离RS485收发器参数化选型指南,请访问:

                                  http://www.ti.com/lsds/ti/isolators/isolated-rs-485-products.page


                                  3.1感兴趣参数

                                  本节简要介绍典型隔离器数据表中的一些参数及其与系统设计的相关性。

                                  隔离性能:

                                  1. 最大瞬态隔离电压(VIOTM)和隔离耐受电压(VISO)表示隔离器承受临时高压(小于60秒)的能力。

                                  2. 最大重复峰值电压(VIORM)和工作电压(VIOWM)表示隔离器在整个使用寿命中所能承受的连续电压。

                                  3.最大冲击隔离电压(VIOSM)表示的最大冲击电压(波形与1.2 -μ崛起和50 -μ年代衰减时间),隔离器可以承受。


                                  时间参数:

                                  1. 数据速率。

                                  2. 传播延迟在系统中是重要的,当往返旅行延迟增加到时间预算(例如,SPI接口)或如果延迟是控制回路的一部分。

                                  3.当时间预算依赖于信道间的匹配时,传播延迟倾斜是很重要的;例如,时钟在一个通道上传输,数据在另一个方向上传输。

                                  4. 故障滤波器:一些数字隔离器带有集成的故障滤波器,这有助于它们在嘈杂的环境中良好运行。然而,glitch filter增加了传播延迟并降低了数据速率。


                                  共模瞬态免疫(CMTI):

                                  CMTI表示隔离器能够容忍其接地之间电位差的快速变化,或者换句话说,在普通模式下的快速变化,而不会造成比特错误。高CMTI表明隔离通道具有鲁棒性。


                                  能源消耗:

                                  每通道的功率消耗,以数据利率计算。


                                  包装:

                                  1. 漏电和间隙:沿包装表面的距离,并通过空气在隔离器的一侧引脚之间的另一侧的引脚。系统级标准根据工作电压、瞬态峰值电压和浪涌电压要求这些参数的最小值。

                                  2. 对比跟踪指数(CTI)表明了该包塑复合材料能够稳定地承受高电压而不产生表面退化。更高的CTI允许在相同的工作电压下使用更小的封装。


                                  3.2隔离器系列

                                  表1简要描述了几个数字隔离器系列的主要特点和TI的隔离功能。如需更详尽的设备清单,请访问:

                                  http://www.ti.com/lsds/ti/analog/isolators/overview.page


                                  表1.数字隔离器系列和隔离功能

                                  隔离器类型设备隔离性能时间性能CMTI封装每通道功率
                                      (5 typ, 1Mbps)
                                  数字隔离器ISO78xxVIOTM = 8000 Vpk
                                      V
                                  IORM = 2121   Vpk
                                      Surge = 12.8 kV
                                  数据速率 = 100Mbps
                                     
                                  道具延迟 = 11 ns   typ
                                      Skew = 2.5 ns max
                                     
                                  故障过滤器不需要
                                  10   kV/μs 最小值CTI   > 600
                                      16-SOIC
                                  1.7   mA
                                  数字隔离器ISO77xxVIOTM = 8000 Vpk
                                      V
                                  IORM = 1414   Vpk
                                      Surge = 12.8 kV
                                  数据速率 = 100Mbps
                                     
                                  道具延迟 = 10.7 ns   typ
                                      Skew = 4.1 ns max
                                     
                                  故障过滤器不需要
                                  100   kV/μs 典型值
                                      85 kV/μs  
                                  最小值
                                  CTI   > 600
                                      16-SOIC, 8-SOIC,
                                      16-SSOP
                                  1.4   mA
                                  数字隔离器ISO73xxVIOTM = 4242 Vpk
                                      V
                                  IORM = 1414   Vpk
                                      Surge = 6 kV
                                  数据速率 = 25Mbps
                                     
                                  道具延迟 = 35 ns   typ
                                      Skew = 3 ns max
                                     
                                  综合故障过滤
                                  50   kV/μs 典型值
                                      25 kV/μs
                                  最小值
                                  400   < CTI < 600
                                      8-SOIC,
                                      16-SOIC
                                  1.1   mA (5 V)
                                      0.85 mA (3.3 V)
                                  数字隔离器ISO71xxVIOTM = 4242 Vpk
                                      V
                                  IORM = 566 Vpk
                                      Surge = 4 kV
                                  数据速率 = 50Mbps
                                     
                                  道具延迟 = 21 ns   typ
                                      Skew = 2 ns max
                                     
                                  综合故障过滤
                                  50   kV/μs 典型值
                                      25 kV/μs
                                  最小值
                                  400   < CTI < 600
                                      16-QSOP
                                  1.65   mA (5 V)
                                      1.3 mA (3.3 V)
                                  隔离的CANISO1050VIOTM = 4000 Vpk
                                      V
                                  IORM = 1200   Vpk
                                      Surge = 4 kV
                                  循环延迟 = 150 ns typ50   25 kV/ kV/μ μs s 典型值 最小值400   16-SOIC, < CTI8-SOP < 600状态依从性
                                  隔离的RS-485ISO3082VIOTM = 4000 Vpk
                                      V
                                  IORM = 560 Vpk
                                      Surge = 4 kV
                                  道具延迟 = 700 ns50   25 kV/ kV/μ μs s 典型值 最小值175   16-SOIC < CTI < 400状态依从性
                                  隔离的I2CISO1540
                                      ISO1541
                                  VIOTM = 4000 Vpk
                                      V
                                  IORM = 566 Vpk
                                      Surge = 4 kV
                                  时钟频率最大值 = 1 MHz
                                     
                                  循环延迟 = 110 ns typ
                                  50   kV/μs 典型值
                                      25 kV/μs
                                  最小值
                                  400   < CTI < 600
                                      8-SOIC
                                  状态依从性
                                  隔离IGBT栅驱动器ISO5500VIOTM = 4000 Vpk
                                      V
                                  IORM = 679 Vpk
                                      Surge = 6 kV
                                  道具延迟 = 200 ns typ50   25 kV/ kV/μ μs s 典型值 最小值400   16-SOIC < CTI < 60015   mA


                                  4 PCB设计指南


                                  4.1印刷电路板材料

                                  对于工作在150mbps以下的数字电路板(或升降次数高于1 ns),以及轨迹长度高达10英寸的数字电路板,应使用标准FR-4环氧玻璃作为印刷电路板(PCB)材料。FR-4(阻燃剂4)符合美国保险商实验室UL94-V0的要求,由于其在高频下的介电损耗低、吸湿性小、强度和刚度高,以及其自熄、易燃性等特点,是较廉价替代品的首选。


                                  4.2层堆栈

                                  低EMI的PCB设计至少需要四层(见图9),层的堆叠顺序必须从上到下:高速信号层、接地层、电源层、低频信号层。


                                  image.png

                                  图9.推荐层堆栈


                                  ?路由顶层的高速轨迹避免了通孔的使用(及其电感的引入),并允许隔离器与数据链路的发送和接收电路之间的干净互连。

                                  ?在高速信号层旁边放置一个坚实的接地平面,可以为传输线互连建立可控阻抗,并为回流电流提供一个优秀的低电感路径。

                                  ?将电源平面放置在地平面旁边会产生大约100 pF/in2的额外高频旁路电容。

                                  ?路由较慢的速度控制信号在底层允许更大的灵活性,因为这些信号链路通常有余地容忍不连续,如通过。如果需要额外的供电电压平面或信号层,则在堆叠中增加第二个电源/接地平面系统,使其保持对称。这使堆栈机械稳定,防止翘曲。也可以将各电力系统的电源与接地平面放置得更近,从而显著增加高频旁路电容。


                                  4.3爬电距离

                                  爬电距离是沿绝缘表面测量的两个导电部件之间的最短路径。足够的爬电距离可以防止跟踪,这是由于在绝缘表面或接近绝缘表面的放电导致绝缘材料表面局部劣化的部分导电路径。

                                  跟踪发生的程度取决于材料的比较跟踪指数(CTI)和环境污染程度。用于电气绝缘材料,CTI在标准测试中通过跟踪提供导致故障的电压数值。IEC 112对跟踪和CTI提供了更全面的解释。

                                  跟踪损坏绝缘材料通常是由以下一个或多个原因造成的:大气湿度、污染、腐蚀性化学物质和操作设备的海拔高度。

                                  随着隔离电压水平的持续上升,拥有一个强健的PCB设计比以往任何时候都更加重要,它不仅可以减少电磁干扰发射,还可以减少漏电问题。除了宽隔离器封装之外,还可以使用沟槽等技术来获得所需的爬电距离(参见图10)。

                                  image.png

                                  图10.坡口切割延长有效爬电距离


                                  对于槽型(>宽1mm),唯一的深度要求是现有的爬电距离加上槽型宽度和槽型深度的两倍必须等于或超过所需的爬电距离。凹槽不得将基板削弱到不能满足机械试验要求的程度。

                                  另外,在所有层上,都要保持隔离器下面的空间不存在痕迹、通道和垫块,以保持最大的爬电距离(请参见图9)。


                                  4.4控制阻抗传输线

                                  控制阻抗传输线是一种特征阻抗Z0由轨迹几何形状严格控制的轨迹。一般来说,这些轨迹匹配传输介质的差分阻抗,如电缆和线路终端,以减少信号反射。在数字隔离器周围,控制阻抗轨迹必须匹配隔离器输出阻抗Z0 ~ rO,这被称为源阻抗匹配。

                                  image.png

                                  图11.源阻抗匹配:Z0 ~ rO


                                  为确定Z0,需要建立隔离器的动态输出阻抗rO =δVOUT/δIOUT。

                                  为此目的输出特性在图12中,(从ISO7240数据表),是由两个线性近似部分显示rO ~ 260?在低电压,而对于大多数的曲线,(因此输出的过渡区),rO ~ 70?。


                                  image.png

                                  图12.隔离器输出特性


                                  所需的轨迹几何形状,如轨迹厚度(t)和宽度(w)、轨迹与相邻地面层之间的距离(d)和PCB介电常数(εr),部分取决于板制造过程中的镀铜能力和所选板材料的介电常数。典型值为1盎司和2盎司的镀铜,导致微量厚度分别为t = 1.37 mils和t = 2.74 mils。rf -4环氧玻璃的介电值在微带εr = 2.8到4.5之间变化,而带状线εr = 4.5之间变化。

                                  在给定t和εr的情况下,设计者可以自由地通过轨迹宽度w和距离d来定义Z0。然而,对于PCB设计来说,最关键的尺寸不是w和d的绝对值,而是它们的比值w/d。图13为简化设计人员的任务,在厚度为2.74 mils(2盎司镀铜)、FR-4介质为4.5、距离地面10 mils的示踪高度下,绘制了特征示踪阻抗随宽度与高度(w/h)的函数。


                                  image.png

                                  图13.特性阻抗作为w/h比的函数


                                  从图13中可以很明显,70 -?设计需要一个w / h比率约为0.8。如下一节参考平面所述,设计低电磁干扰板需要信号道和接地面之间的紧密电耦合,这是通过确保h = 10 mils来实现的。因此,相应的道宽是8密耳。这个宽度必须在整个跟踪长度中保持。否则,轨迹宽度的变化会导致特征阻抗的不连续,从而导致反射和EMI的增加。

                                  注意,前面的设计示例只是实现所需Z0的众多可能性之一。不同的痕迹厚度由于镀铜的高低,或不同的PCB材料都可以使用,但需要w/d比来改变。表2给出了计算特征阻抗Z0的相当复杂的数学公式,同时考虑了示踪厚度、宽度和介电常数。

                                  表2. 0.2 < w/d < 1的微带方程(1)

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                                  (1)保持所有尺寸的英寸,或mils (1 in = 1000 mils)或mm (1 in = 25.4 mm)。


                                  4.5参考平面

                                  高速PCB设计的电源和接地面通常必须满足各种要求。

                                  在直流和低频时,它们必须向集成电路(IC)的供应端提供稳定的参考电压,如VCC和地。

                                  在高频参考面,特别是地面面,有许多用途。对于可控阻抗传输系统的设计,接地平面必须与相邻信号层的信号轨迹提供强的电耦合。

                                  考虑单个交流导体及其相关的电场和磁场,如图14所示。松散或没有电耦合使电流流动产生的横向电磁波(TEM)自由辐射到外部环境中,造成严重的电磁干扰(EMI)。

                                  image.png

                                  图14.通过导体之间的紧密电耦合减小电场边缘


                                  现在想象有第二根导体在附近,它携带着相同振幅但极性相反的电流。在这种情况下,导体的磁场相互抵消,而它们的电场则紧密耦合。这两种导体的瞬变电磁法波由于失去了磁场,就不能辐射到环境中。只有小得多的边缘场才能与外界发生耦合,从而产生明显较低的EMI。

                                  图15显示了在接地面和紧密耦合的信号道之间发生的相同的效果。高频电流遵循的是最小电感路径,而不是最小阻抗路径。因为电感最小的返回路径直接位于信号轨迹下方,所以返回信号电流倾向于沿着这条路径。回流电流的受限流动在信号轨迹下方的地平面上形成了一个高电流密度区域。这个接地面区域作为一个单一的返回轨迹,允许磁场抵消,同时提供紧电耦合到上面的信号轨迹。

                                  image.png

                                  图15.地面作为一个单一的返回轨迹


                                  为了为返回电流提供一个连续的、低阻抗的路径,参考平面(电源和地线)必须是坚固的铜片,没有空隙和裂缝。对于参考平面,过孔的间隙部分不干扰回流路径是很重要的。在障碍物的情况下,回流能绕过它。然而,通过这样做,电流的电磁场很可能会干扰引入串扰的其他信号轨迹的磁场。此外,这个障碍对通过它的轨迹的阻抗产生不利影响,从而导致不连续和增加EMI。


                                  image.png

                                  图16.返回电流路径在固体和开槽的地面


                                  4.6路由

                                  当试图保持信号完整性、避免噪声提取和降低EMI时,布线PCB线路和放置元件的指南是必要的。尽管似乎采取了无数的预防措施,本节只提供了一些主要的建议作为布局指导。

                                  1. 保持信号迹线3倍于迹线到地面高度(d = 3h)的距离,将串扰降低到10%。由于信号道下的返回电流密度通过1/ [1+(d/h)2]函数减小,因此在点d > 3h处的电流密度足够小,可以避免在相邻的道中引起显著的串扰。


                                  image.png

                                  图17.分开跟踪以减少串扰


                                  2. 使用45°弯曲(倒角),而不是直角(90°)弯曲。直角弯曲增加了有效道宽,从而增加了道阻抗。这会造成额外的阻抗失配,从而可能导致更高的反射。


                                  image.png

                                  图18.使用45°弯曲而不是90°弯曲


                                  3.为了在噪声环境中永久运行,将隔离器的使能输入通过a via连接到适当的参考平面,即VCC平面的高使能输入和地平面的低使能输入。

                                  4. 当路由轨迹靠近通孔或在一组通孔之间时,确保通孔间隙部分不会中断下面地面上的返回电流路径。如果通径间隙位于回路中,则回路电流在其周围找到电感最小的回路。通过这样做,它可能穿过其他信号轨迹,从而产生串扰和增加电磁干扰。


                                  image.png

                                  图19.避免通过清关段


                                  5. 避免用信号轨迹改变层数,因为这会导致信号路径的电感增加。

                                  6. 然而,如果在不同的层上的信号跟踪路由是不可避免的,那么就在每个信号跟踪通过的时候加上一个返回跟踪通过。在这种情况下,使用尽可能小的通径,以保持电感的增量最小。

                                  7. 使用固体电源和接地面进行阻抗控制和最小的功率噪声。

                                  8. 在隔离器和周围电路之间使用短的跟踪长度,以避免噪声接收。数字隔离器通常伴随着隔离的dc-to-dc变换器,通过隔离屏障提供电源。由于单端传输信号对噪声敏感,近距离dc- dc变换器的开关频率可以通过较长的信号轨迹得到。

                                  9. 放置大容量电容器(例如,10μF),靠近电源,如稳压器或电源供应到PCB。

                                  10. 在设备上放置较小的0.1-μF或0.01-μF旁路电容,将电容的电源侧直接连接到设备的供电端,通过两个通孔连接到Vcc平面,电容的地侧通过两个通孔连接到接地平面。


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                                  图20.旁路电容直接连接到VCC端子


                                  4.7通过

                                  “通过”一词通常指印刷电路板上的电镀孔。虽然有些应用程序需要通孔通过足够宽,以适应导致通孔组件,高速板设计时主要使用它们作为跟踪路由通过改变信号层,或连接通过连接贴片组件所需的参考平面,并连接参考飞机彼此相同的潜力。

                                  连接通孔的层是通过直接接触通孔周围的垫层来实现的。

                                  不可连接的层用间隙环隔开。每个通孔对地有一个电容,可以用下面的公式来近似:

                                  image.png

                                  ?D2 =地平面清除孔的直径,[in.]。

                                  ?D1 =垫围通径,[in.]。

                                  ?T =印刷电路板厚度,[in.]。

                                  ?εr =电路板的介电常数。

                                  ?C =寄生电容,[pF]。                                                                             (1)

                                  由于电容与尺寸成比例增加,高速设计中的trace过孔必须尽可能小,以避免因高电容负载引起的信号退化。

                                  当解耦电容连接到地平面或连接地平面时,通感比电容更重要。这个电感的大小近似为:

                                  image.png

                                  ?L =通过电感,[nH]。

                                  ?h =通过长度,[in.]。

                                  ?d =通径,[in.]。                                                                                    (2)


                                  因为这个方程涉及到一个对数,改变通径对电感的影响很小。通过改变通孔长度或同时使用多个通孔,可能会产生较大的变化。因此,通过每个设备终端使用两个并联的通孔将去耦电容器连接到地。对于地平面之间的低电感连接,在整块板上使用固定间隔的多个通孔。

                                  虽然强烈建议不要改变高速轨迹的层数,但如仍有必要,请确保电流回路连续。左边的图21显示了单层改变的回流电流,右边的图21显示了多层改变的回流电流。

                                  image.png

                                  图21.返回单个和多个图层更改的当前路径


                                  电流从接地面的底部到顶部的变化能力是由内间隙环的金属层板提供的。因此,当信号通过通孔并在同一平面的另一侧继续时,返回电流不连续就不存在。

                                  通过交叉多个参考平面来改变信号从一层到另一层,会使返回电流路径的设计变得复杂。在两个接地面的情况下,必须在信号接道旁设置一个地对地通道口,以确保电流返回路径的连续性(图21右图)。

                                  如果参考平面具有不同的电压电位,例如图22中的电源平面和地平面,那么回路的设计就会变得混乱,因为它需要第三个通径和一个去耦电容。回流电流从电源平面的底部开始,在那里它最接近信号电流。然后它流过电源,穿过去耦电容器进入地面然后回到地面上。


                                  image.png

                                  图22.返回单个和多个图层更改的当前路径


                                  由多个通孔和去耦电容组成的电流回路具有高的电感,从而影响信号完整性和增加EMI。如果可能的话,避免在高速布线过程中改变层数,因为这通常会恶化板的性能,使设计复杂化,并增加制造成本。


                                  4.8去耦电容

                                  去耦电容器为需要大量电流来响应内部开关的集成电路提供了一个局部电荷源。解耦不充分会导致所需的电源电流不足,这可能会阻止集成电路正常工作,从而导致信号完整性数据错误。这就要求它们在感兴趣的频率范围内提供低阻抗。为了实现这一点,一个常见的方法是将一组去耦电容器均匀地分布在黑板上。除了保持信号的完整性,去耦电容器还充当EMC滤波器,防止高频射频信号在整个PCB上传播。

                                  当在电源和地平面之间连接一个电容时,电源实际上装载了一个串联谐振电路,其频率相关的R-L-C分量代表了一个真实电容的等效电路。图23显示了初始等效电路的寄生元件及其转换为串联谐振电路的情况。

                                  image.png

                                  图23.串联谐振电路模拟电容器损耗


                                  漏电阻RL表示低频时漏电流的损耗。RD和CD表示由于分子极化(RD)和介质吸收(CD)造成的损失。RS表示电容的引线和极板上的电阻。三个电阻损耗组合成一个等效的串联电阻(ESR)。在ESR情况下,等效串联电感(ESL)结合电容片和内部引线的电感。

                                  请注意,连接孔口的电容,虽然阻抗低,但对串联电感有很大的贡献。因此,在每个电容端子上使用两个通孔来减小通电感。

                                  图24显示了10-nF电容的电容阻抗(Z)随频率的变化。在远低于自共振频率(SRF)的频率,电容电抗占主导地位。接近SRF时,电感电抗在中和电容分量时受到影响。在SRF,电容和电感电抗抵消,只有ESR是有效的。注意,ESR是频率依赖性的,与普遍的看法相反,在SRF没有达到其最小值。然而,阻抗Z却可以。


                                  image.png

                                  图24.电容阻抗对频率


                                  分布式解耦网络中电容并联是由于总电容增加到CTOT = C×n,其中n为使用的解耦电容数。当Xc = 1/(ω×C)时,对于低于SRF的频率,电容阻抗降低为Xc = 1/(n×ω×C)。同理,电感也是如此。在这里,LTOT = L/n,因为XL =ω×L,阻抗降低为XL =ω×L/n以上的频率。

                                  设计一个固体去耦网络必须包括低频率到直流,这需要实现大旁路电容。因此,在低频提供足够的低阻抗,放置1-μF到10-μF钽电容在稳压器的输出和电源供应到PCB。对于更高的频率范围,放置几个0.1-μF或0.01-μF陶瓷电容器在每个高速开关IC旁边。


                                  5总结

                                  本设计指南帮助系统设计师在尽可能短的时间内开始设计TI广泛的数字隔离器和隔离功能。本文档解释了隔离器的基本工作原理,建议在系统设计中将其放置在何处,并建议了兼容emc的电路板设计指南。尽管有大量关于PCB设计的技术文献、研讨会、时事通讯和互联网论坛,但本文档为设计人员提供了全面的布局指南。通过遵循本文提出的建议,设计人员可以在尽可能短的时间内完成兼容emc的电路板设计。


                                  6参考文献

                                  1. 高速数字设计,约翰逊/格雷厄姆,1993年

                                  2. 《电子系统降噪技术》,北京:科学出版社,1988

                                  3.消除关于印刷电路板电源/地平面解耦的神话,Archambeault, 2001。


                                  修订历史

                                  注意:以前版本的页码可能与当前版本的页码不同。


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                                  ?改变了整节标题为“数字隔离器和隔离功能的典型应用..............................................4

                                  ?添加数字隔离器选择指南部分 ..........................................................................................6

                                  ?改变总结 . ............................................................................................................................18


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