在典型的工业环境中，干扰无关的数据通信和个人安全是电子设备面临的两个主要挑战
。强电磁场、过电压、瞬态电压和高电磁兼容性(EMC)干扰是日常现象
。例如
，如果通信电缆不当靠近频率逆变器的控制电缆，脉冲会通过电容耦合
，导致通信电缆中的信号与频率逆变器的脉冲模式产生振荡。这种干扰可能迅速达到导致重大故障的水平，甚至危及人身安全
。

　　例如，当使用热电偶测量电动机温度时，会产生毫伏级的电压。如果这些电压需要通过几米的电缆传输到参考不同接地电位的中央控制单元
，测量信号就会因电位差而失真
。

　　概括上述现象
，可以归纳出以下四个挑战
：

　　危险电压与用户之间的安全隔离

　　空间电路之间的地环路隔离

　　共模干扰的最小化

　　无干扰的数据传输

　　图1以图形方式展示了数据传输系统的情况。为了满足隔离危险电压以保护用户的要求，并同时保证无干扰的数据传输
，必须实施电气隔离，即在电位上将不同区域隔离，使其能够独立工作
，从而避免干扰

。数据流通过数字隔离器进行传输。然而，干扰和电位均衡电流则通过电气隔离来防止
。

　　电池电压的隔离测量

　　物理参数的分散录取是当前的技术状态
。然而，在物体上记录数据往往是一项挑战，数据的无线传输也常常不可行。数据必须以不影响被测变量的方式记录在物体上;否则将会产生测量误差
。这就需要电气解耦，需要在电路中实现
。此外，数据的有线传输必须无电位且对称，以便传输不受电磁耦合和地环路的干扰。在此应用中
，故意避免使用微控制器，以证明可以通过模拟电路技术以较少的努力实现强大且无干扰的设计
。

　　该设计分为两个电路

：发射器和接收器。传感器能够检测±30 Vmax的直流电压，波动周期为一秒
。电流消耗已被最小化，发射器在15 V电源下的电流消耗为<85 mA，接收器为<25 mA
。发射器和接收器均电气隔离——发射器在测量数据采集和信号传输路径之间
，接收器在信号传输路径和数据输出之间。为了实现这种电气隔离，使用了特殊的DC/DC电源模块和具有电气隔离且寄生耦合电容特别低的数字隔离器
。信号通过双线电缆在发射器和接收器之间传输。根据电磁环境影响，距离可达数百米。

　　发射器电路设计

　　图2展示了发射器的框图。电路分为六个模块：

　　探头：带有电压分压器和放大器的测量传感器
，用于测量正负极性(1)

　　电平转换器：用于电压到频率转换器的电平转换器(2)

　　电压到频率转换器：数字输出信号，其频率依赖于输入电压(3)

　　数字隔离器：测量电位和接口之间的电气隔离(4)

　　接口缓冲器：具有平衡输出的低阻抗线路驱动器(5)

　　电源
：DC/DC转换器，为探头部分提供电气隔离的转换器(6)

　　为确保功能可靠性
，探头侧和驱动器输出均提供了瞬态保护和滤波措施;在DC/DC电源模块的前后也设置了低通滤波器，以有效衰减RF耦合。

　　接收器电路设计

　　图3展示了接收器的框图。电路分为五个模块
：

　　输入缓冲器
：信号接收，信号调理
，具有平衡输入
。链接检测器指示是否与发射器存在可检测连接(1)。

　　数字隔离器：输入信号与次级信号处理/输出接口之间的电气隔离

。为输入侧缓冲器提供额外的电气隔离电压(2)。

　　频率到电压转换器
：将数字信号生成输出电压。电压水平依赖于输入信号的频率(3)。

　　带极性显示的接口缓冲器
：用于输出信号的电平转换器。输出信号具有正极性
，极性指示器显示输入信号的极性(4)
。

　　电源：为次级供电的DC/DC转换器(5)。

　　接收器部分还提供了众多EMC措施。来自双绞线电缆的信号输入配备了瞬态保护和共模滤波器，以有效衰减来自电缆的干扰。围绕DC/DC转换器的电源在输入和输出两侧均配有低通滤波器，以显著降低由DC/DC转换器开关操作引起的外部和内部电磁干扰
。这确保了高信噪比和较高的功能可靠性
。

　　电容式数字隔离器

　　Würth Elektronik的数字隔离器由初级侧的振荡器和调制器组成
。次级侧则有解调器和信号缓冲器
。初级侧的组件通过由SiO2制成的电容结构和隔离屏障与次级侧的组件电气隔离。信号通过称为开关调制(OOK)的调制过程跨越隔离屏障进行传输。集成在芯片中的振荡器用于调制输入信号，该信号通过施密特触发器运行
。调制器生成一个差分信号
，通过电容绝缘线路进行传输。

　　在数字隔离器的世界中
，已经建立了两种通信结构
：基于边缘的和OOK。原则上，它们可以视为等效方法
。然而，根据应用要求，这两种架构之间的差异可能会影响决策
。

　　在基于边缘的架构中，一旦数据信号被激活，输入和输出状态就不再被采样
。在发生电源故障或数据信号失效时，这种行为可能导致错误。因此，基于边缘的方法需要集成的刷新电路
，以在这些条件下最小化错误风险
，并在输出中增强输入状态。

　　而在OOK中，输入变量持续被采样并通过隔离屏障传输。由于对输入的持续采样，在意外改变供电或输入信号的情况下

，输出不会出现错误。由于OOK不需要像基于边缘的方法那样额外的刷新电路。

　　因此
，这两种方法的第一个区别在于能耗。基于边缘的架构能耗较低
，因为仅采样一次，而OOK则需要持续能量。

　　第二个区别在于
，OOK调制方案在噪声和瞬态行为方面具有固有的优势，具备更高的共模瞬态免疫能力(CMTI)和由于持续采样而带来的更高数据速率
。

　　总结


：

　　基于边缘的架构：损耗较少，数据速率较低

　　开关调制：故障安全行为、改善的CMTI和更强的噪声行为

　　图4展示了电路块
。隔离器次级侧的解调器执行放大
、滤波和输入信号重构的功能
。信号延迟和信号失真被最小化
。最后，一个缓冲器将解调器输出的信号路由到整体输出，缓冲器将信号放大到所需水平。

　　安全第一!在紧急情况下，数字隔离器应保护人们免受危险电压的影响
。

　　因此，它们必须满足最高的安全和耐用性要求。Würth Elektronik的CDIP和CDIS系列数字隔离器已根据最新和最严格的标准DIN EN IEC 60747-17 (VDE 0884-17):2021-10“用于基本绝缘和增强绝缘的磁性和电容耦合器”获得了德国VDE的认证(见表1)。

　　那么，“基本”和“增强”对人身安全意味着什么?该标准在这里仅提供了一个相对抽象的定义——见IEC 60747-17:202X：

　　利发国际何时选择基本或增强绝缘?简单来说，“单点故障条件”和“正常工作条件”这两个方面在这里非常重要。增强绝缘确保在正常操作下的单点故障条件下仍能提供电击保护。基本绝缘仅在正常操作下有效，即不考虑单点故障。

　　线性传输特性

　　图5显示了测量电压与随后在输出端显示的电压之间的关系。传输特性在-30 V到30 V的整个输入电压范围内几乎是线性的。因此，由发射器和接收器PCB组成的设计
，通过双绞线连接，是一种适合于电气隔离数据采集和传输的解决方案
。