고속 PCB 설계 가이드 3: 신호 격리 기술

2021-08-18

Author：IPCB

디지털 또는 아날로그 신호가 전류 연결을 통해 송신될 때, 신호 격리는 송신과 수신 단자 사이의 장벽을 통과하는 것을 방지한다.이를 통해 단자 외부의 접지나 참조 레벨 사이의 차이가 최대 수천 볼트에 달할 수 있으며 신호를 손상시킬 수 있는 서로 다른 접지 전위 사이의 회로 전류를 방지할 수 있습니다.신호 접지의 소음은 신호를 손상시킬 수 있다.격리는 신호를 깨끗한 신호 서브시스템 접지로 분리할 수 있다.다른 응용 프로그램에서는 참조 레벨 간의 전기 연결이 운영자 또는 환자에게 안전하지 않은 전류 경로를 생성할 수 있습니다.신호의 성질은 회로 설계자에게 시스템이 고려할 수 있는 정확한 IC를 지시할 수 있다.

첫 번째 유형의 격리 장치는 격리 장벽을 뛰어넘기 위해 송신기와 수신기에 의존하지 않는다.이 장치는 디지털 신호에 사용되지만 선형 문제는 아날로그 신호를 격리하기 위해 변압기를 사용하도록 강요하고 변조 반송파를 사용하여 아날로그 신호가 이 장벽을 통과하도록 한다.변압기는 항상 말하기 어렵고 일반적으로 IC를 만들 수 없기 때문에 나는 변조 신호를 결합하여 장애물을 뛰어넘을 수 있는 콘덴서 회로를 생각해냈다.격자에 작용하는 고전환율 순식간 전압은 단일 콘덴서 격자 부품의 신호로 사용할 수 있어 오차를 최소화하기 위한 이중 용기 차분회로를 개발했다.현재 커패시터 장벽 기술은 디지털 및 아날로그 격리 장치에 적용됩니다.

1. 직렬 데이터 흐름 격리

디지털 신호를 격리하는 데는 여러 가지 선택이 있다.데이터 흐름이 비트 직렬이면 간단한 광 결합기에서 분리된 트랜시버 IC까지 옵션이 제공됩니다.주요 설계 고려 사항은 다음과 같습니다.

– 필요한 데이터 속도

– 시스템 격리단의 전력 요구 사항

– 데이터 채널이 양방향이어야 하는지 여부

LED 기반 광 결합기는 설계 문제를 격리하는 최초의 기술입니다.현재 몇 가지 LED 기반 IC는 10Mbps 이상의 데이터 속도를 제공합니다.중요한 설계 고려 사항 중 하나는 LED 광 출력이 시간이 지남에 따라 감소한다는 것입니다.따라서 시간이 지남에 따라 충분한 출력 광도를 제공할 수 있도록 초기 단계에서 LED에 너무 큰 전류를 공급해야 합니다.격리 측면의 사용 가능한 전력이 제한될 수 있기 때문에 너무 큰 전류를 공급해야 하는 것은 심각한 문제입니다.LED에 필요한 구동 전류는 단순 논리 출력 수준의 사용 가능한 전류보다 클 수 있으므로 일반적으로 특수 구동 회로가 필요합니다.

고속 응용프로그램 및 논리적 신호 제어에서 데이터 스트림 역방향 전송의 경우 Burr Brown의 ISO 150 디지털 커플러를 사용할 수 있습니다.그림 1은 ISO150 양방향 응용 회로를 보여줍니다.채널 1은 채널 2의 전송 방향을 제어하며 A단에서 B단으로 전송하도록 구성됩니다. DIA 핀에 가해지는 신호는 신호 흐름의 방향을 결정합니다.엔드 B로 전송되는 하이 레벨은 채널 2의 엔드를 수신 모드로 전환합니다.채널 2A 끝에 적용된 Mode 핀의 낮은 레벨은 채널을 전송 모드로 전환합니다.방향 신호의 상태는 격리 장벽의 양쪽에 있다.이 회로는 80MHz의 데이터 속도에서 작동합니다.

비트 직렬 통신의 두 번째 변형은 개발 중인 차동 버스 시스템 장치입니다.이러한 시스템은 RS-422, RS-485 및 CAN 버스 표준에 의해 설명됩니다.어떤 시스템은 다행히도 공통점이 하나 있는데, 많은 시스템은 서로 다른 전위의 노드를 가지고 있다.두 노드가 일정한 거리를 두고 있을 때 특히 그렇습니다.Burr Brown's ISO 422는 이러한 애플리케이션에 사용할 수 있는 통합 전이중 격리 트랜시버를 위해 설계되었습니다.이 트랜시버는 반이중 및 전이중으로 구성할 수 있습니다 (그림 2 참조).전송 속도는 2.5Mbps에 달할 수 있습니다. 이 장치에는 루프(루프백) 테스트 기능까지 포함되므로 각 노드에서 자체 검사 기능을 수행할 수 있습니다.이 모드에서는 버스의 데이터가 무시됩니다.

ATL

2. 아날로그 신호 격리

많은 시스템에서 아날로그 신호는 격리되어야 합니다.아날로그 신호가 고려하는 회로 매개 변수는 디지털 신호와 완전히 다르다.일반적으로 아날로그 신호를 먼저 고려해야 합니다.

정확도 또는 선형

– 주파수 응답

소음 주의사항

전력 요구사항, 특히 입력 레벨의 전력 요구사항에 대해서는 격리 증폭기의 기본 정밀도나 선형도가 상응하는 응용 회로를 통해 향상될 수 없음에 주의해야 하지만, 이러한 회로는 소음을 낮추고 입력 레벨의 전력 소비 요구를 낮출 수 있다.

Burr Brown's ISO124는 아날로그 격리를 단순화합니다.입력 신호는 점공비 변조를 거쳐 디지털 방식으로 장벽을 통해 발송된다.출력 부분은 모뎀 신호를 수신하여 다시 아날로그 전압으로 변환하고 모뎀 / 모뎀 과정에서 고유의 텍스쳐 컴포넌트를 제거합니다.입력 신호의 변조와 변조로 인해 샘플링 데이터 시스템의 일부 제한을 준수해야 한다.모뎀은 500kHz의 기본 주파수에서 작동하기 때문에 250kHz Ngquist 주파수보다 높은 입력 신호는 출력에서 낮은 주파수 분량을 나타냅니다.

출력 레벨은 출력 신호에서 대부분의 반송파 주파수를 제거하지만 여전히 일정량의 반송파 신호가 존재합니다.그림 4는 시스템의 나머지 부분에서 고주파 소음 오염을 줄이기 위해 조합된 필터링 방법을 보여 줍니다.전원 필터는 전원 핀에서 들어오는 노이즈를 크게 감소시킵니다.출력 필터는 양극 Sallen 키 레벨, Q는 I, 3dB 주파수는 50kHz입니다.이렇게 하면 출력 텍스쳐를 5배 줄일 수 있습니다.

격리 전압의 또 다른 문제는 입력 레벨에 필요한 전력입니다.출력 수준은 일반적으로 섀시나 접지를 기반으로 하며 입력은 일반적으로 다른 전세에서 부동합니다.따라서 입력 레벨의 전원 공급 장치도 분리해야 합니다.일반적으로 이상적인 +15V 및 -15V 전원 공급 장치 대신 단일 전원 공급 장치를 사용합니다.

그림 5에 따르면 ISO124 입력 레벨의 단일 전압 전원은 1NA2132 이중 차동 증폭기와 결합하여 진폭을 입력 신호 레벨의 전체 범위로 향상시킬 수 있습니다.유일한 요구 사항은 ISO124 입력 전압에 필요한 입력 전원 전압이 9V 이상으로 유지되는 것입니다.

INA2132의 하단에는 VS+ 전원 출력 전압의 절반이 생성됩니다.이 전압은 INA2132의 반대쪽 REF 핀과 ISO124의 GND 입력의 위접지로 사용됩니다.INA2132의 차분 입력 신호의 진동은 새로운 참조 레벨보다 높거나 낮을 수 있습니다.ISO124의 출력은 입력과 마찬가지로 완전 양극이 됩니다.

3. 병렬 데이터 버스 시스템 격리

병렬 디지털 데이터 버스의 격리는 세 가지 더 중요한 설계 매개변수를 추가합니다.

– 버스 폭

– 편차 허용

클럭 속도 요구 사항

이 작업은 일렬 광 결합기로 수행할 수 있지만 지원 회로가 매우 복잡할 수 있습니다.광 결합기 간의 전파 시간이 일치하지 않으면 데이터 오프셋이 발생하여 수신단의 데이터 오류가 발생합니다.이 문제를 최소화하기 위해 ISO508 격리 디지털 결합기 (그림 3) 는 입력과 출력에서 이중 버퍼 데이터 버퍼링을 지원합니다.이 구성은 2MBps 속도로 데이터를 전송합니다.

ISO508에는 두 가지 작동 모드가 있습니다.CONT 핀이 낮은 상태로 설정되면 LE1 신호의 제어 하에 데이터가 동기화 모드로 장벽을 통해 전송됩니다.LE1이 높은 상태이면 데이터가 입력 핀에서 입력 잠금 메모리로 전송됩니다.LE1이 낮아지면 데이터 바이트가 장벽을 통과하기 시작합니다.이제 입력 핀을 사용하여 차세대 데이터 바이트에 사용할 수 있습니다.이 모드에서는 전송 가능한 데이터 속도가 2MBps에 달할 수 있습니다.

CONT 핀이 높은 상태로 설정되면 장치 내부 20MHz 클럭의 제어 하에 데이터가 장벽을 통해 전송됩니다.데이터 전송은 외부 잠금 메모리와 비동기적으로 작동합니다.데이터는 직렬로 입력 래치에서 출력 래치로 선택됩니다. 한 바이트가 전송되면 전체 바이트가 출력 래치로 이동하고 출력 래치는 전송된 데이터 바이트를 오프셋합니다.전체 8비트 바이트의 경우 전파 지연이 1ms 미만입니다.

4. 격리를 위한 다기능 IC

새로운 다기능 데이터 수집 IC를 통해 설계자는 격리된 스크린을 뛰어넘으면서 여러 가지 작업을 수행할 수 있는 기회를 갖게 되었다.하나의 완전한 데이터 수집 장치에는 여러 개의 아날로그 스위치, 프로그래밍 가능한 이득 계량기 증폭기, A/D 변환기 및 하나 이상의 디지털 I/O 채널이 포함될 수 있습니다.이 모든 기능은 직렬 데이터 포트를 통해 제어됩니다. Burr Brown의 ADS7870은 이러한 장치입니다.ADS7870은 그림 6과 같이 ISO150과 잘 어울립니다.

이 응용 프로그램에서는 ADS7870의 각 프로그래밍 가능한 기능이 기본 마이크로프로세서의 제어 하에 배치되며, 마이크로프로세서 자체의 제어는 직렬 통신 포트를 통해 레지스터에 명령을 기록하여 이루어집니다. 제어 특징은 다음과 같습니다.

– 멀티플렉서 선택

4 개의 차등 채널 또는 8 개의 단일 채널

– 계측기 증폭기의 프로그래밍 가능한 이득 설정, 1ï½20

– 12비트 A/D 변환 초기화

이 장치의 4개의 디지털 I/O 케이블도 유용하며 디지털 신호의 상태를 보고하거나 출력하도록 별도로 지정할 수 있습니다.이렇게 하면 동일한 ISO150 확장 신호 멀티플렉서를 통해 레벨 또는 오류 플래그를 읽는 등 일부 지원 기능을 격리할 수 있습니다.

끝말

시스템의 접지 전위가 매우 다른 설계에서 많은 설비를 설계자가 선택하고 사용할 수 있다.각 디바이스는 고유한 시스템 요구 사항을 충족하도록 설계되었습니다.새로운 장치의 높은 수준의 성능 통합은 이전에 격리 장벽을 뛰어넘을 수 없었던 더 복잡한 조작을 실현했다.