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現(xiàn)如今，各種解決方案都將直流/直流轉(zhuǎn)換器與微型變壓器以及信號(hào)隔離通道集成在一個(gè)封裝中。此類解決方案解決了系統(tǒng)工程師面臨的幾個(gè)設(shè)計(jì)難題，比如減少電路板面積。單芯片解決方案的第一個(gè)優(yōu)勢(shì)是減少了電路板面積。功率計(jì)、變壓器、整流二極管、隔離反饋和數(shù)字化數(shù)據(jù)隔離通道都被集成在同一器件中，因此解決方案的尺寸顯著減小。數(shù)字隔離器的封裝尺寸取決于隔離等級(jí)、爬電距離和間隙，因此可將這些額外的組件裝入同一封裝中，從而形成一個(gè)緊湊的解決方案。數(shù)字隔離器是電子系統(tǒng)中數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)進(jìn)行傳遞時(shí)，使其且具有很高的電阻隔離特性，以實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)與用戶之間的隔離的一種芯片。設(shè)計(jì)人員之所以引入隔離，是為了滿足安全法規(guī)或者降低接地環(huán)路的噪聲等。電流隔離確保數(shù)據(jù)傳輸不是通過電氣連接或泄漏路徑，從而避免安全風(fēng)險(xiǎn)。然而，隔離會(huì)帶來延遲、功耗、成本和尺寸等方面的限制。數(shù)字隔離器的目標(biāo)是在盡可能減小不利影響的同時(shí)滿足安全要求。

板卡介紹

本期給大家介紹一款又德州儀器推出的參考設(shè)計(jì)ISOW-ADAPTOR-EVM數(shù)字隔離器評(píng)估板。

ISOW-ADAPTOR-EVM是一款便于評(píng)估集成DC-DC轉(zhuǎn)換器的四通道數(shù)字隔離器ISOW774系列芯片，采用20引腳WB SOIC封裝，這款評(píng)估板適用于ISOW774x和ISOW784x系列芯片。

板卡尺寸僅為33*22mm，由防靜電袋包裝，十分簡(jiǎn)潔。

板卡為雙層板設(shè)計(jì)，可以看到電路布局還是相當(dāng)優(yōu)雅的。底部為2*8排針方便用戶測(cè)試功能。這款板卡的貼片排針設(shè)計(jì)也方便用戶將其直接部署到自己應(yīng)用上，十分方便快捷，省去模塊驗(yàn)證測(cè)試時(shí)間，縮短了研發(fā)周期。

ISOW774系列數(shù)字隔離器主要亮點(diǎn)如下：

高性能，集成高效率、低輻射DC-DC轉(zhuǎn)換器，5000-VRMS增強(qiáng)型四通道數(shù)字隔離器
獨(dú)立的IO和DC/DC 電源輸入，最高輸出功率可達(dá)55w
寬輸入電壓范圍，可兼容7v-5.5v電平輸入
高通信速率最高可達(dá)到100Mbps
符合 CISPR 32 B 類輻射排放限制

安全認(rèn)證

符合 DIN VDE V 0884-11:2017-01 標(biāo)準(zhǔn)的 VDE 增強(qiáng)型和基礎(chǔ)型絕緣
UL 1577 組件認(rèn)證計(jì)劃
IEC 62368-1、IEC 61010-1、IEC 60601-1 和GB 4943.1-2011 認(rèn)證

這使得該款器件可以應(yīng)用在如工業(yè)自動(dòng)化，電機(jī)控制，電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，醫(yī)療設(shè)備，等相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)品中，為用戶設(shè)備提供高可靠性的保護(hù)。

ISOW774X主要有兩種型號(hào) 一種是ISOW774XF另一種為ISOW774XB。

ISOW774xF屬于增強(qiáng)型保護(hù)，主要在浪涌電壓等級(jí)上高于ISOW774XB。

原理圖解析

內(nèi)部簡(jiǎn)化原理圖

整體架構(gòu)分為兩大部分，一部分為數(shù)據(jù)收發(fā)，另一部分為電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

模塊原理圖

如圖展示了該板卡的設(shè)計(jì)原理圖，可以看到電路設(shè)計(jì)是十分簡(jiǎn)潔但是高效的，電路上設(shè)計(jì)了包括軟啟動(dòng)來限制浪涌電流、過壓和欠壓鎖定、EN/FLT引腳上的故障檢測(cè)、過載和短路保護(hù)以及熱關(guān)機(jī)，并提供了鐵氧體磁珠以進(jìn)一步衰減EMI。

器件型號(hào)的最后一位數(shù)字表示反向通道的數(shù)量。例如，ISOW7740有4個(gè)正向通道和0個(gè)反向通道，而ISOW7743將有1個(gè)正向通道和3個(gè)反向通道。如果輸入信號(hào)丟失，則不具有F 后綴的ISOW77xx器件默認(rèn)輸出高電平，具有F后綴的ISOW77xx器件默認(rèn)輸出低電平。通過在PCB上將VIO和VDD連接在一起，ISOW774x可在3V至5.5V的單一電源下運(yùn)行。如果需要較低的邏輯電平，這些器件支持1.71V至5.5V邏輯電源（VIO），該電源獨(dú)立于3V至 5.5V的電源轉(zhuǎn)換器電源（VDD）。VISOIN和VISOOUT需要通過鐵氧體磁珠或通過LDO 饋電連接到電路板。這些器件有助于防止數(shù)據(jù)總線（例如UART、SPI、RS-485、RS-232 和 CAN），或者其他電路上的噪聲電流進(jìn)入本地接地以及干擾或損壞敏感電路。通過創(chuàng)新的芯片設(shè)計(jì)和布線技術(shù)，該器件的電磁兼容性得到了顯著增強(qiáng)，可緩解系統(tǒng)級(jí)ESD、EFT、浪涌和輻射合規(guī)性。

如圖是幾款不同器件的引腳說明。

上電測(cè)試

輸入電壓5.0V? 輸出電壓3.3V

通信測(cè)試

本次測(cè)試環(huán)境為使用Jlink v10下載器，向STM32F407下載100k固件，以測(cè)試平均下載速度。

硬件：

STM32F407IGH6
Jlink v10
ISOW7844雙向數(shù)字隔離器

軟件驅(qū)動(dòng)：

Jlink V780d
win11
EIDE
VScode

接線按照如圖所示接線

經(jīng)過多次測(cè)試下載速度穩(wěn)定在508KB/S，滿足了日常下載器下載調(diào)試場(chǎng)景，不會(huì)因?yàn)槠骷旧韺?dǎo)致下載調(diào)試速度降低。

高速率數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試

此數(shù)據(jù)隔離器理論速度大約為12.5MB/s。為了測(cè)試出該器件的極限帶寬，我們使用SPI總線來測(cè)試極限速度。

按照如圖接線

本次測(cè)試使用BMI088 SPI總線讀取數(shù)據(jù)，總線速度調(diào)整為12.5MB/s。

CubeMX配置SPI總線速度為12.5Mbit/s，滿足100Mbps的最大數(shù)據(jù)速率。

從視頻中可以看到BMI088數(shù)據(jù)流暢讀出，沒有出現(xiàn)讀取失敗的情況，可以說明該器件在100Mbps的工況下可以穩(wěn)定正常工作。

小結(jié)

經(jīng)過以上兩個(gè)實(shí)際測(cè)試表現(xiàn)來看ISOW7841可以滿足絕大多數(shù)數(shù)據(jù)隔離場(chǎng)景需求，包括高速率數(shù)據(jù)傳輸以及強(qiáng)電弱點(diǎn)隔離。

其他典型設(shè)計(jì)分析

RS485隔離

在ISOW7741的設(shè)計(jì)手冊(cè)中，還給出了一個(gè)利用ISO7741和THVD1410分立實(shí)現(xiàn)隔離式RS-485總線。適用于常規(guī)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下的數(shù)據(jù)隔離需要。

在該解決方案中，啟用（RE、DE）、發(fā)送（D）和接收（R）信號(hào)通過MCU和RS-485收發(fā)器之間的數(shù)字隔離器進(jìn)行隔離。如上圖，展示了這種解決方案的一個(gè)示例，其中采用了 ISO7741和一個(gè)RS-485收發(fā)器。分立式解決方案的一項(xiàng)主要優(yōu)勢(shì)是能夠靈活地為特定應(yīng)用選擇理想收發(fā)器。

CAN信號(hào)隔離

隨著信號(hào)隔離在許多工業(yè)和汽車應(yīng)用中的使用增加，對(duì)隔離電源的需求也增加了。一旦隔離柵任一側(cè)的電源短路，隔離帶來的好處就會(huì)喪失。同時(shí)，如果設(shè)計(jì)隔離電源子系統(tǒng)時(shí)不考慮仔細(xì)，則會(huì)影響整體系統(tǒng)性能，如電源傳輸效率低導(dǎo)致的溫升、輻射導(dǎo)致的數(shù)據(jù)損壞。

如上圖所示為隔離式CAN子系統(tǒng)的分立式信號(hào)和電源隔離方案的示例。隔離式CAN功能是通過一個(gè)數(shù)字隔離器ISO7721以及一個(gè)帶靈活數(shù)據(jù)速率和故障保護(hù)的CAN收發(fā)器 TCAN1042H來實(shí)現(xiàn)的，其中數(shù)字隔離器在每個(gè)方向?yàn)榘l(fā)送（TXD）和接收（RXD）信號(hào)提供一個(gè)通道。

該解決方案的優(yōu)勢(shì)：

采用外部變壓器，功率傳輸效率更高（約 70% 至 80%）。
通過降低變壓器驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)頻率，盡可能減少輻射。
可靈活使用任何 CAN 收發(fā)器或數(shù)字隔離器或單片隔離式 CAN。
隔離式電源能夠?yàn)槎鄠€(gè)隔離式 CAN 收發(fā)器提供電流。

總結(jié)

ISOW774X系列數(shù)字隔離器是一款高性能高性價(jià)比的數(shù)字信號(hào)隔離方案，使用德州儀器（TI）最新開發(fā)的制造工藝，可在電容電路中提供增強(qiáng)的信號(hào)隔離，相比其他方案具有高可靠性、高性價(jià)比以及高冗余性的安全保障，搭配TI其他通信電平轉(zhuǎn)換芯片可以實(shí)現(xiàn)RS-485、CAN、I2C、SPI等常見通信信號(hào)的數(shù)字隔離，應(yīng)用面十分廣闊，同時(shí)其高可靠性和完全集成的信號(hào)與電源隔離還可用于醫(yī)療電子，等對(duì)可靠性或者體積要求十分高的場(chǎng)合。