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惡劣環(huán)境下,如何避免傳感器信號受干擾?

發(fā)布時(shí)間:2019-04-10 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】為了防止高電壓和高功率危險(xiǎn),設(shè)計(jì)中可以使用隔離器(isolator)作為系統(tǒng)的隔離屏障,使電壓信號在傳感器和控制器之間傳遞而不受共模電壓的影響,確保信號完整。
 
傳感器在一些高電壓系統(tǒng)中的應(yīng)用愈見廣泛,如屋頂太陽能的逆變器、社區(qū)的電網(wǎng)、HVAC系統(tǒng)、又或是商業(yè)樓宇的自動化空調(diào)系統(tǒng)等。在這些工作環(huán)境下,傳感器的數(shù)據(jù)傳送到控制器,如人機(jī)界面(HMI,Human Machine Interface)作分析。
 
可是,如果傳感器附近有一些高電壓存在,不僅會影響傳感器操作或損壞控制器,更有可能因發(fā)送傳感器的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤而導(dǎo)致嚴(yán)重的事故,特別是醫(yī)療設(shè)備,這可能會對用戶安全產(chǎn)生相當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。
 
 
為了防止高電壓和高功率危險(xiǎn),設(shè)計(jì)中可以使用隔離器(isolator)作為系統(tǒng)的隔離屏障,使電壓信號在傳感器和控制器之間傳遞而不受共模電壓的影響,確保信號完整。
 
圖1:隔離器工作原理
 
還有一個(gè)關(guān)鍵原因是,現(xiàn)實(shí)中一些電信基礎(chǔ)設(shè)施需要高速地傳輸數(shù)據(jù)及信號,會涉及高功率,而使用隔離器可以令系統(tǒng)得到保護(hù)。
 
電流隔離是電氣系統(tǒng)中的一種隔離技術(shù)。在傳感器和其他電子設(shè)備之間提供電流隔離,可以防止直流或不受控制的瞬態(tài)電流影響。然而,傳感器傳遞的數(shù)據(jù)和能量仍然需要通過隔離屏障傳送。
 
電流隔離屏障有三種常見技術(shù)——光電隔離、磁隔離和電容式隔離。雖然這三種技術(shù)隔離屏障的介質(zhì)有所不同,但最終目標(biāo)都是相同的。
 
光電隔離:成熟易用的技術(shù)
 
光電隔離 (或稱光隔離),是三種技術(shù)中使用最早的,并且易于使用。如下圖, 光隔離一般是采用光耦合器(簡稱光耦) 進(jìn)行隔離,以光為媒介傳遞信號。如Toshiba的TLP291光耦透過發(fā)光二極管(LED)和光探測器,把信號轉(zhuǎn)換成以電 - 光 - 電形式傳遞,產(chǎn)生隔離作用。
 
圖2:光電隔離原理
 
然而光耦一般數(shù)據(jù)傳輸速率較低(因?yàn)長ED需要時(shí)間開啟),并且有較高的功耗,同時(shí)器件的性能表現(xiàn)會隨著使用時(shí)間增加而降低。此外,由于發(fā)光二極管的物理尺寸限制,光隔離器的尺寸難以減小。
 
相對與光隔離,磁隔離和電容式隔離都是以數(shù)字方式通過屏障傳輸數(shù)據(jù)。
磁隔離:速率高而磁場抗擾度弱
 
磁耦是基于磁隔離技術(shù)的隔離器件,也成為磁隔離器。
 
圖3:磁隔離工作原理
 
我們會發(fā)現(xiàn),有些磁耦可以以高達(dá)100Mbps速度的脈沖電流通過隔離屏障,磁耦的數(shù)據(jù)傳輸速率特性可以在Digi-Key網(wǎng)頁內(nèi)找到。
 
圖4:磁耦數(shù)據(jù)速率參數(shù)查詢
 
但是要留意的是,磁耦的功耗會隨著數(shù)據(jù)速率增加而增加。它對電磁干擾也很敏感,而在HVAC系統(tǒng)和涉及電機(jī)的工廠自動化環(huán)境中的磁場是很大。
電容式隔離:更好的解決方案
 
與磁隔離一樣,電容式隔離具有用于編碼和解碼輸入AC信號的數(shù)字電路(如下圖),利用可變的電場在隔離屏障中傳輸信息。
 
圖5:電容隔離工作原理
 
電容式隔離器無法傳遞直流信號,因此它們本身就是一個(gè)很好的隔離器。電容式隔離器不易受磁場噪聲影響,而仍然保持高數(shù)據(jù)速率和低功耗。可見使用電容式隔離的好處是信號傳輸方面更有效率,對磁場有更好的抗擾度。
 
下圖比較了ADI的ADuM1100(磁隔離)和TI 的ISO72x(電容式隔離)的磁場抗擾度,雖然兩個(gè)例子在限定磁場下都不太受磁場影響,但I(xiàn)SO72x對磁場抗擾度有更好的表現(xiàn)。
 
圖6:磁隔離和電容隔離技術(shù)磁場抗擾度比較
 
無論是光隔離、磁隔離或是電容式隔離,只要在適當(dāng)?shù)臈l件下工作都可以達(dá)到很出色的隔離效果。下圖是一個(gè)三種隔離技術(shù)的簡單比較:
 
表1:三種主流隔離技術(shù)的比較
 
本文小結(jié)
 
傳感器要高速度傳輸信號,隔離是一個(gè)不可或缺的組成技術(shù)。特別是在惡劣的高電壓和高功率工作環(huán)境中,使用電容式隔離更見重要性,因?yàn)殡娙菔礁綦x:
 
有很好的抗磁能力
具有更快的速數(shù)據(jù)傳輸
更高的信號完整性
低功耗
 
來源:DigiKey  作者:Barley Li 
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