利用LVDS隔离器实现普适测量和控制

1、Conal WattersonISO应用利用LVDS隔离器实现普适测量和控制2016年4月26日议题LVDS 低压差分信号高速隔离工业应用中的隔离要求需要更高带宽目前可用的解决方案要求直接可用的解决方案示例1：PLC/IO模块背板背板端口的保护确保数据完整性偏斜和抖动信号幅度和共模范围示例2：隔离式模拟前端鲁棒的AFE与精密或高速ADC接口源同步数据LVDS兼容性确保ADC性能/分辨率时钟和附加相位抖动关于ADN4651作为一种解决方案的 结论其他应用案例问题2电流隔离完整的电气隔离栅跨越隔离栅通信安全隔离保护操作人员保护设备功能隔离确保操作正确抗扰度电平转换3工业应用中的隔离要求A点信息流隔

2、离器隔离栅无电流流动B点GPIO、I2CSPILVDS普适测量和控制更多传感器节点更高速度/精度更高速度I/O更多处理节点暴露于噪声和高压下的风险增大需要更好的隔离更多数据通过隔离接口传输4需要更高带宽工业通信标准比较CANRS-485RS-422USB 2.0M-LVDSLVDS以太网更长距离差分鲁棒性和多主机差分更低功耗高速差分高速 +距离简单串行芯片对芯片简单串行多主机多点*点对点更长距离差分更低功耗高速差分外设 + 电源高速串行外设简单串行SPII2CRS-232* 也可用于点对点或多分支(RS-485/M-LVDS) RS-422和LVDS也可用于多分支 使用开关点对点的多点用于高速

3、信号的LVDSASIC/FPGA和ADC常用的I/O差分 鲁棒低功耗，相对于RS-485等高速低电磁辐射(EMI)点对点或多点低压全功率驱动器3.5 mA100 端接350mV典型输出0至2.4V共模范围高速隔离器要求时序精度偏斜抖动兼容性TIA/EIA 644-A故障安全集成较小PCB面积易于设计抗扰度隔离CMTI7目前可用的解决方案易于使用成本较低难于使用成本较高1Gbps150 Mbps600Mbps高延迟接口复杂专用仅交流平衡辐射，PCB面积光纤分立变压器分立电容数字隔离器ADN4651隔离式LVDS脉冲偏斜低数据速率低抖动/偏斜直接可用的隔离价值主张速度89ADN4651 LVDS隔

4、离器数据速率：600 Mbps总抖动：70 ps（典型值）最大偏斜：100 ps传播延迟：4.5 ns（最大值）可承受5 kV rms电压300 Vrms增强工作电压10 kV电涌兼容TIA/EIA-644-A LVDS双通道、多通道选项集成式20引脚WSOIC封装，爬电距离/电气间隙为7.6 mm示例1：隔离式工业背板10工业高速背板扩展11多快、多远？鲁棒性如何？抖动（多快、多远？）表现为无限延伸的示波器迹线上的边缘“模糊”用边缘位置直方图来分析（迹线截面）总抖动(TJ)随机抖动(RJ)确定性抖动(DJ)数据速率相关(DDJ)符号间干扰(ISI)占空比失真(DCD)总抖动包含随机（无界）分

5、量和确定性（有界）分量由于RJ，峰峰值TJ随着游程长度增加而增加RJ视为高斯形状，指定1 sigma rms值DJ指定峰值12抖动源（多快、多远？）LVDS驱动器LVDS隔离器连接器LVDS接收器LVDS隔离器连接器电缆/走线抖动13允许5%抖动150 Mbps，0.5 m100 Mbps，1 m允许10%抖动300 Mbps，0.5 m200 Mbps，1 m150 Mbps，2 m允许20%抖动600 Mbps，0.5 m425 Mbps，1 m275 Mbps，2 m14多快、多远？假设两个串联隔离器的抖动为150 psIEC 61000-4-2 ESDIEC 61000-4-5 浪涌V

6、DE 0884-10浪涌测试耐受电压（瞬时事件）工作电压（电压失调，最高240V交流电源电压）共模瞬变抗扰度（瞬变期间的数据完整性）15隔离实现的鲁棒性器件测试的系统要求16系统要求安全隔离250Vrms（220-240V交流电源）系统标准IT设备IEC 60950-1器件要求工作电压354Vpk加强绝缘6 kV电涌隔离值4 mm爬电距离与电气间隙器件标准数字隔离器IEC 60747-17器件测试424Vpk下使用37.5年，故障率为1PPM10 kV浪涌测试17隔离封装要求1.2us50%50us8us50%20us电压 R=电流 R=0电涌工作电压电气间隙爬电距离通过系统级辐射测试符合法定

7、限制FCC A类或B类CISPR/EN 55022 A类或B类18利用高速隔离器降低EMI19器件级辐射测试示例2：隔离式模拟前端20前端电流隔离防止受到危险电压影响高噪声环境下的测量精度可能有多个隔离采样通道高带宽以支持采集数据可能与源同步双倍数据速率和脉冲偏斜通道间偏斜采样时钟/时序精度附加抖动21隔离式模拟前端ADC隔离器处理器时钟和配置数据采集数据隔离栅针对ADC的源同步LVDS I/O源同步与源时钟同步来接收数据双倍数据速率两个时钟沿均会传输数据22任一通道的低到高和高到低传播延迟存在差异|tPLH tPHL|使用DDR时，每隔一位的采样时间存在差异（上升与下降时钟沿）23脉冲偏斜的

8、影响通道间或器件间偏斜的影响一个器件中不同通道的最慢 最快低到高传播(tPLH(S) - tPLH(F)或高到低传播(tPHL(S) - tPHL(F)或多个器件的不同通道之间（器件间偏斜）时钟和数据之间的偏移可能会变得过大或相对于一个共用时钟的多个数据通道的偏移过大可能需要更复杂的去偏斜启动例程24附加相位噪声/抖动测量相位噪声相对于载波频率进行测量(dBc)载波频率 = LVDS时钟信号（CNV用于AD7960，5 MHz载波频率）从输入相位噪声中减去输出对附加相位噪声进行积分，并转换为 抖动25采样时钟的附加相位抖动与ADC孔径抖动（采样时间不精确性）相加降低ADC有效分辨率隔离式模拟前

9、端实例：隔离式AD7960模拟 前端（浮空 - 如交流电压）数字电路（安全）加强隔离栅2627隔离式AD7960性能（采用ADN4651）关于ADN4651作为一种解决方案的结论直接隔离高速串行转换器和ASIC接口无需解串行，没有额外的设计工作及信号调理鲁棒的加强绝缘可在恶劣环境下提供保护高带宽工业背板或通信接口的外部端口可以安全地暴露出来工业/现场工作中的模拟前端接口具有更高的噪声抗扰度，防止受损精密时序，超低抖动和偏斜支持PLC/IO模块背板的电缆互连确保ADC最高性能和分辨率28其他选项LVDS视频信号可以隔离来自显示器的块状噪声/干扰隔离医疗设备病人监护设备上的显示端口连接到与病人交互的摄像头（如内窥镜）HDMI可通过转换为DVI/LVDS来隔离并行显