在典型的工業環境中，干擾無關的數據通信和個人安全是電子設備面臨的兩個主要挑戰。強電磁場、過電壓、瞬態電壓和高電磁兼容性(EMC)干擾是日常現象。例如，如果通信電纜不當靠近頻率逆變器的控制電纜，脈沖會通過電容耦合，導致通信電纜中的信號與頻率逆變器的脈沖模式產生振蕩。這種干擾可能迅速達到導致重大故障的水平，甚至危及人身安全。

　　例如，當使用熱電偶測量電動機溫度時，會產生毫伏級的電壓。如果這些電壓需要通過幾米的電纜傳輸到參考不同接地電位的中央控制單元，測量信號就會因電位差而失真。

　　概括上述現象，可以歸納出以下四個挑戰：

　　危險電壓與用戶之間的安全隔離

　　空間電路之間的地環路隔離

　　共模干擾的最小化

　　無干擾的數據傳輸

　　圖1以圖形方式展示了數據傳輸系統的情況。為了滿足隔離危險電壓以保護用戶的要求，并同時保證無干擾的數據傳輸，必須實施電氣隔離，即在電位上將不同區域隔離，使其能夠獨立工作，從而避免干擾。數據流通過數字隔離器進行傳輸。然而，干擾和電位均衡電流則通過電氣隔離來防止。

　　電池電壓的隔離測量

　　物理參數的分散錄取是當前的技術狀態。然而，在物體上記錄數據往往是一項挑戰，數據的無線傳輸也常常不可行。數據必須以不影響被測變量的方式記錄在物體上;否則將會產生測量誤差。這就需要電氣解耦，需要在電路中實現。此外，數據的有線傳輸必須無電位且對稱，以便傳輸不受電磁耦合和地環路的干擾。在此應用中，故意避免使用微控制器，以證明可以通過模擬電路技術以較少的努力實現強大且無干擾的設計。

　　該設計分為兩個電路：發射器和接收器。傳感器能夠檢測±30 Vmax的直流電壓，波動周期為一秒。電流消耗已被最小化，發射器在15 V電源下的電流消耗為<85 mA，接收器為<25 mA。發射器和接收器均電氣隔離——發射器在測量數據采集和信號傳輸路徑之間，接收器在信號傳輸路徑和數據輸出之間。為了實現這種電氣隔離，使用了特殊的DC/DC電源模塊和具有電氣隔離且寄生耦合電容特別低的數字隔離器。信號通過雙線電纜在發射器和接收器之間傳輸。根據電磁環境影響，距離可達數百米。

　　發射器電路設計

　　圖2展示了發射器的框圖。電路分為六個模塊：

　　探頭：帶有電壓分壓器和放大器的測量傳感器，用于測量正負極性(1)

　　電平轉換器：用于電壓到頻率轉換器的電平轉換器(2)

　　電壓到頻率轉換器：數字輸出信號，其頻率依賴于輸入電壓(3)

　　數字隔離器：測量電位和接口之間的電氣隔離(4)

　　接口緩沖器：具有平衡輸出的低阻抗線路驅動器(5)

　　電源：DC/DC轉換器，為探頭部分提供電氣隔離的轉換器(6)

　　為確保功能可靠性，探頭側和驅動器輸出均提供了瞬態保護和濾波措施;在DC/DC電源模塊的前后也設置了低通濾波器，以有效衰減RF耦合。

　　接收器電路設計

　　圖3展示了接收器的框圖。電路分為五個模塊：

　　輸入緩沖器：信號接收，信號調理，具有平衡輸入。鏈接檢測器指示是否與發射器存在可檢測連接(1)。

　　數字隔離器：輸入信號與次級信號處理/輸出接口之間的電氣隔離。為輸入側緩沖器提供額外的電氣隔離電壓(2)。

　　頻率到電壓轉換器：將數字信號生成輸出電壓。電壓水平依賴于輸入信號的頻率(3)。

　　帶極性顯示的接口緩沖器：用于輸出信號的電平轉換器。輸出信號具有正極性，極性指示器顯示輸入信號的極性(4)。

　　電源：為次級供電的DC/DC轉換器(5)。

　　接收器部分還提供了眾多EMC措施。來自雙絞線電纜的信號輸入配備了瞬態保護和共模濾波器，以有效衰減來自電纜的干擾。圍繞DC/DC轉換器的電源在輸入和輸出兩側均配有低通濾波器，以顯著降低由DC/DC轉換器開關操作引起的外部和內部電磁干擾。這確保了高信噪比和較高的功能可靠性。

　　電容式數字隔離器

　　Würth Elektronik的數字隔離器由初級側的振蕩器和調制器組成。次級側則有解調器和信號緩沖器。初級側的組件通過由SiO2制成的電容結構和隔離屏障與次級側的組件電氣隔離。信號通過稱為開關調制(OOK)的調制過程跨越隔離屏障進行傳輸。集成在芯片中的振蕩器用于調制輸入信號，該信號通過施密特觸發器運行。調制器生成一個差分信號，通過電容絕緣線路進行傳輸。

　　在數字隔離器的世界中，已經建立了兩種通信結構：基于邊緣的和OOK。原則上，它們可以視為等效方法。然而，根據應用要求，這兩種架構之間的差異可能會影響決策。

　　在基于邊緣的架構中，一旦數據信號被激活，輸入和輸出狀態就不再被采樣。在發生電源故障或數據信號失效時，這種行為可能導致錯誤。因此，基于邊緣的方法需要集成的刷新電路，以在這些條件下最小化錯誤風險，并在輸出中增強輸入狀態。

　　而在OOK中，輸入變量持續被采樣并通過隔離屏障傳輸。由于對輸入的持續采樣，在意外改變供電或輸入信號的情況下，輸出不會出現錯誤。由于OOK不需要像基于邊緣的方法那樣額外的刷新電路。

　　因此，這兩種方法的第一個區別在于能耗。基于邊緣的架構能耗較低，因為僅采樣一次，而OOK則需要持續能量。

　　第二個區別在于，OOK調制方案在噪聲和瞬態行為方面具有固有的優勢，具備更高的共模瞬態免疫能力(CMTI)和由于持續采樣而帶來的更高數據速率。

　　總結：

　　基于邊緣的架構：損耗較少，數據速率較低

　　開關調制：故障安全行為、改善的CMTI和更強的噪聲行為

　　圖4展示了電路塊。隔離器次級側的解調器執行放大、濾波和輸入信號重構的功能。信號延遲和信號失真被最小化。最后，一個緩沖器將解調器輸出的信號路由到整體輸出，緩沖器將信號放大到所需水平。

　　安全第一!在緊急情況下，數字隔離器應保護人們免受危險電壓的影響。

　　因此，它們必須滿足最高的安全和耐用性要求。Würth Elektronik的CDIP和CDIS系列數字隔離器已根據最新和最嚴格的標準DIN EN IEC 60747-17 (VDE 0884-17):2021-10“用于基本絕緣和增強絕緣的磁性和電容耦合器”獲得了德國VDE的認證(見表1)。

　　那么，“基本”和“增強”對人身安全意味著什么?該標準在這里僅提供了一個相對抽象的定義——見IEC 60747-17:202X：

　　我們何時選擇基本或增強絕緣?簡單來說，“單點故障條件”和“正常工作條件”這兩個方面在這里非常重要。增強絕緣確保在正常操作下的單點故障條件下仍能提供電擊保護。基本絕緣僅在正常操作下有效，即不考慮單點故障。

　　線性傳輸特性

　　圖5顯示了測量電壓與隨后在輸出端顯示的電壓之間的關系。傳輸特性在-30 V到30 V的整個輸入電壓范圍內幾乎是線性的。因此，由發射器和接收器PCB組成的設計，通過雙絞線連接，是一種適合于電氣隔離數據采集和傳輸的解決方案。