PLC DCS模擬量輸入模塊設(shè)計(jì)打破了通道間隔離和高密度的障礙

在天然氣和石油廠以及發(fā)電廠等高端工廠自動(dòng)化應(yīng)用中，低EMI、小尺寸、高可靠性和低成本的要求對(duì)于通道間隔離設(shè)計(jì)尤其具有挑戰(zhàn)性。因此，標(biāo)準(zhǔn)模塊實(shí)現(xiàn)的通道密度通常限制為僅四個(gè)或八個(gè)通道，通道間隔離只有數(shù)百伏。

本文將簡(jiǎn)要討論過(guò)程控制模擬輸入模塊中的隔離以及實(shí)現(xiàn)此目的的傳統(tǒng)方法。然后概述了一種替代的高密度、易于設(shè)計(jì)的通道間隔離模擬輸入模塊架構(gòu)。測(cè)試結(jié)果顯示，16通道、2.5 kV rms通道間隔離演示模塊輕松通過(guò)了EN55022 B類(lèi)隔離標(biāo)準(zhǔn)。

過(guò)程控制模擬輸入模塊中的隔離

電流隔離是物理和電氣分離兩個(gè)電路的原理，因此沒(méi)有直接的傳導(dǎo)路徑，但數(shù)據(jù)和電源仍然可以交換。這通常使用變壓器、光耦合器或電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)。隔離用于保護(hù)電路和人體，斷開(kāi)接地環(huán)路，并提高共模電壓和噪聲抑制性能。

通常，過(guò)程控制輸入要么是組隔離的，要么是通道間隔離的（見(jiàn)圖1）。對(duì)于組隔離，多個(gè)輸入通道組合在一起以共享單個(gè)隔離柵，包括電源隔離和信號(hào)隔離。這比通道間隔離節(jié)省了成本，但它限制了組中通道之間的共模電壓差，這意味著它們應(yīng)全部放置在同一區(qū)域中。如圖1右側(cè)所示，通道間隔離始終有利于其提高魯棒性。也就是說(shuō)，每個(gè)通道的成本要高得多，因此工廠制造商必須仔細(xì)評(píng)估這種權(quán)衡。

圖1.組隔離和通道間隔離。

采用通道間隔離設(shè)計(jì)，每個(gè)通道都需要專(zhuān)用的電源隔離和信號(hào)隔離。隔離是輸入模塊通道密度、EMI、成本和可靠性的主要限制之一。在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中，每個(gè)通道使用數(shù)字隔離器進(jìn)行數(shù)據(jù)隔離。ADuM141E等典型數(shù)字隔離器在16引腳SOIC（6.2 mm × 10 mm）封裝中具有四個(gè)隔離數(shù)據(jù)通道。但是，每個(gè)通道仍然需要電源隔離，因此讓我們討論三種傳統(tǒng)的電源隔離方法：多抽頭變壓器、推挽式設(shè)計(jì)和隔離式DC-DC模塊。

圖2顯示了采用多抽頭變壓器的反激式隔離DC-DC架構(gòu)。反激式轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)變壓器在抽頭上產(chǎn)生多個(gè)輸出。它是一種成熟的電源架構(gòu)，但對(duì)于過(guò)程控制應(yīng)用有六個(gè)主要缺點(diǎn)，它們是：

它需要一個(gè)帶有多抽頭和屏蔽的定制變壓器來(lái)控制EMI。這在具有足夠可靠性的小尺寸中很難實(shí)現(xiàn)。

只有一個(gè)通道可用于反饋控制環(huán)路，這意味著其他通道的調(diào)節(jié)更為松散。這需要仔細(xì)評(píng)估以確?？煽窟\(yùn)行。

通道密度受特定變壓器放置的限制。對(duì)于來(lái)自每個(gè)抽頭輸出的功率，變壓器作為模擬輸入模塊的中心放置，每個(gè)輸入通道布置在變壓器周?chē)纳瘸錾葏^(qū)中，將模擬輸入模塊卡通道限制為四個(gè)或八個(gè)。

來(lái)自一個(gè)通道的干擾可以通過(guò)變壓器抽頭之間的耦合電容耦合到其他通道。

隔離電壓電平。除非采用特殊的絕緣材料或設(shè)計(jì)，否則Multitap變壓器只能實(shí)現(xiàn)數(shù)百伏的通道間隔離，這大大增加了變壓器成本。

定制變壓器獲得UL/CSA認(rèn)證的高成本。

圖2.多抽頭變壓器電源隔離設(shè)計(jì)。

另一種方法是每個(gè)通道使用單獨(dú)的變壓器，并使用推挽方法來(lái)隔離每個(gè)通道。在這種方法中，不使用反饋。取而代之的是，使用穩(wěn)壓良好的電源（例如7 V）來(lái)驅(qū)動(dòng)每個(gè)變壓器，然后使用LDO在次級(jí)側(cè)進(jìn)一步調(diào)節(jié)。這種方法是可行的，因?yàn)榇渭?jí)側(cè)的電流消耗相對(duì)較低，這使得適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)成為可能。

這種方法的一些缺點(diǎn)是需要預(yù)調(diào)節(jié)以及每個(gè)通道的額外組件。所選變壓器必須滿足所需的隔離額定值。預(yù)穩(wěn)壓以及每個(gè)通道的變壓器、開(kāi)關(guān)和 LDO 占用電路板空間并增加成本。還需要進(jìn)行大量的評(píng)估工作，以確保該法規(guī)在所有條件下都足夠。

圖3.推挽式隔離設(shè)計(jì)。

使用經(jīng) UL/CSA 認(rèn)證的表面貼裝隔離式 DC-DC 模塊使隔離電源設(shè)計(jì)變得更加容易，并且可以提高通道密度，同時(shí)將隔離電壓提高到數(shù)千伏。也就是說(shuō)，成本相對(duì)較高，通常只能通過(guò)EN55022 A類(lèi)。這些模塊也可能存在傳導(dǎo)電磁干擾問(wèn)題，因?yàn)榇蠖鄶?shù)模塊的PWM頻率低于1 MHz，以最大程度地減少電磁輻射干擾。此外，大多數(shù)過(guò)程控制模擬輸入模塊消耗的電流不到10 mA，遠(yuǎn)低于市場(chǎng)上大多數(shù)隔離式電源模塊。

所討論的所有三種傳統(tǒng)方法都難以滿足所需的隔離性能和成本。這些方法仍然需要每個(gè)通道單獨(dú)的數(shù)據(jù)隔離器，從而增加了額外的空間和成本。如果電源隔離可以作為數(shù)據(jù)隔離器的一部分，會(huì)怎么樣？它可以，而且確實(shí)如此。

ADI i耦合器技術(shù)和iso電源技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)和汽車(chē)市場(chǎng)，這兩種技術(shù)可以集成到單個(gè)封裝中。以ADuM5411為例，根據(jù)圖4所示的框圖，該器件采用7.8 mm×8.2 mm、24引腳TSSOP封裝，包括完全電源隔離和150通道數(shù)據(jù)隔離。它提供高達(dá) 2500 mW 的輸出，足以進(jìn)行模擬輸入信號(hào)調(diào)理和數(shù)字化，并通過(guò) 1577 V rms UL75 隔離標(biāo)準(zhǔn)。此外，CMTI（共模瞬態(tài)抗擾度）大于 <> kV/μs，非常適合存在高瞬態(tài)電壓和電流的惡劣工業(yè)環(huán)境，例如發(fā)電廠。??

圖4.ADuM5411原理框圖

由于數(shù)據(jù)和電源隔離的高度集成，模擬輸入模塊設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，并且可以實(shí)現(xiàn)更高的通道密度。它允許使用較舊的隔離方法在與16個(gè)通道相同的空間內(nèi)提供<>個(gè)或更多通道。

采用這種隔離方法設(shè)計(jì)并測(cè)試了一個(gè)16通道、通道間隔離溫度輸入模塊（見(jiàn)圖5）。模塊中的ADuM5411器件為16個(gè)溫度輸入通道中的每個(gè)通道提供隔離電源和數(shù)據(jù)。熱電偶和/或RTD測(cè)量由高度集成的溫度前端IC（AD7124或AD7792）執(zhí)行，與分立式設(shè)計(jì)相比，可節(jié)省更多空間。ADP2441將24 V背板電源轉(zhuǎn)換為3.3 V，為MCU、觸摸屏和ADuM5411供電。每個(gè)輸入通道只需要 63.5 mm × 17.9 mm 的面積。

圖5.16通道溫度通道間隔離輸入模塊框圖

ADuM5411的版圖設(shè)計(jì)

ADuM5411的開(kāi)關(guān)頻率為125 MHz。 由于通道數(shù)量眾多，因此特別注意確保電路板通過(guò)EN55022的B類(lèi)電磁輻射干擾測(cè)試。

為了最小化輻射發(fā)射，所使用的原理是最小化功耗并最小化電流環(huán)路返回路徑。通過(guò)使用低功耗集成溫度前端IC，將功耗降至最低。這意味著通過(guò)隔離柵消耗的功率更少，這意味著輻射的能量也會(huì)更少。AD7124完全有效時(shí)僅消耗0.9 mA電流。為了最小化電流返回環(huán)路，使用了兩個(gè)鐵氧體磁珠以及少量的旁路電容。

鐵氧體磁珠是一種有用的方法，可以通過(guò)提供比PCB走線高得多的阻抗來(lái)控制輻射信號(hào)源。參見(jiàn)圖6，鐵氧體磁珠與ADuM5411的引腳串聯(lián)放置。鐵氧體磁珠的頻率響應(yīng)是一個(gè)非常重要的考慮因素。使用的鐵氧體磁珠為 BLM15HD182SN1，在 2 MHz 和 100 GHz 頻率范圍內(nèi)提供大于 1 kΩ 的電阻。鐵氧體磁珠應(yīng)盡可能靠近ADuM5411的焊盤(pán)放置。VISO路徑上的E9和GNDISO路徑上的E10是最關(guān)鍵的鐵氧體磁珠。

圖6.ADuM5411原理圖

電容也可用于提供低阻抗返回路徑，從而減少輻射。一種方法是使用表面貼裝的安全額定電容器穿過(guò)勢(shì)壘，保證滿足爬電距離、電氣間隙和耐壓標(biāo)準(zhǔn)。這些電容器可從村田制作所或Vishay等供應(yīng)商處獲得。但是，由于安裝電容器會(huì)引入電感，這種方法僅在高達(dá)200 MHz左右時(shí)才有效。因此，更有效的技術(shù)是在ADuM5411下構(gòu)建PCB內(nèi)部的旁路電容。這可以是浮動(dòng)旁路電容或重疊旁路電容，如圖7所示。

圖7.浮動(dòng)旁路電容器和重疊旁路電容器。

對(duì)于浮動(dòng)旁路電容，內(nèi)置兩個(gè)串聯(lián)電容C1和C2?？傠娙萦晒?計(jì)算。

其中：
ε是PCB絕緣材料的介電常數(shù)，F(xiàn)R4材料的介電常數(shù)為5.4

對(duì)于重疊旁路電容，電容由公式2計(jì)算。

其中：
ε是PCB絕緣材料的介電常數(shù)，4×10–11 F/m 用于 FR4 材料

在相同的材料、面積和距離下，浮動(dòng)拼接的總電容值是重疊拼接的一半，但絕緣材料的厚度增加了一倍。根據(jù) IEC60950 2.10.6.4，增強(qiáng)絕緣要求內(nèi)層的最小絕緣材料厚度為 0.4 毫米（15.74 密耳），但基本絕緣沒(méi)有這樣的要求。由于ADuM5411僅提供2.5 kV rms基本隔離，因此選擇重疊旁路電容以最大化電容。出于同樣的原因，內(nèi)層的厚度也被控制在5密耳。

16通道、通道間溫度輸入模塊PCB使用6層板。為了保持機(jī)械和EMI性能，頂層和底層控制在20密耳，內(nèi)層控制在5密耳，如圖8所示。

圖8.六層PCB堆疊分配。

如圖9所示，重疊旁路電容的平面內(nèi)置于GND1、SIG、PWR和GND2中。GND1和PWR上的平面連接到ADuM5411的副邊，SIG和GND2上的平面連接到ADuM5411的初級(jí)側(cè)。這意味著在 GND1 和 SIG、SIG 和 PWR、PWR 和 GND2 之間形成三個(gè)并聯(lián)的旁路電容器。重疊區(qū)域的寬度為4.5 mm，長(zhǎng)度為17 mm，這意味著總旁路電容為72 pF。

圖9.ADuM5411區(qū)域的六層PCB布局。

符合 EN55022 規(guī)范的測(cè)試結(jié)果

根據(jù)EN10規(guī)范，在55022 m處進(jìn)行了兩組EMI測(cè)試。在第一次測(cè)試中，使用了具有旁路電容的電路板，如圖10所示。圖11顯示了結(jié)果，它通過(guò)了EN55022 B類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，裕量約為11.59 dB。在第二次測(cè)試中，使用了沒(méi)有旁路電容的電路板，而是在電路板上安裝了外部安全電容器 KEMET C1812C102KHRACTU 3 kV，150 pF。圖12顯示了結(jié)果——它通過(guò)了EN55022 B類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，裕量為0.82 dB。

圖 10.內(nèi)置在PCB中的旁路電容器，無(wú)需安全電容器。

圖 11.PCB EN55022 B類(lèi)測(cè)試結(jié)果中內(nèi)置的拼接電容器。

圖 12.該無(wú)旁路電容，但用安全電容PCB，EN55022 B類(lèi)測(cè)試結(jié)果。

結(jié)果表明，IC下的縫合電容器是比安全電容器更有效的去耦方法。

結(jié)論

通道間隔離通常被視為高端過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)的數(shù)字和電源隔離方法相比，ADI的iso電源技術(shù)和i耦合器技術(shù)可顯著提高通道密度。它們還大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)任務(wù)，并可以提高通道的魯棒性和可靠性。通過(guò)內(nèi)置在PCB中的旁路電容或安裝在PCB旁邊的安全電容，可以輕松控制EMI輻射，以通過(guò)EN55022 B類(lèi)或A類(lèi)。這是技術(shù)的突破。

審核編輯：郭婷