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TI ISOW-ADAPTOR-EVM數(shù)字隔離器評(píng)估模塊測(cè)評(píng)

2023/07/08
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閱讀需 11 分鐘
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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)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
  • 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

 

相關(guān)開發(fā)資料

這款驗(yàn)證評(píng)估版在TI官網(wǎng)上也有著十分詳細(xì)的資料

https://www.ti.com/tool/ISOW-ADAPTOR-EVM

筆者手中這塊板子的芯片型號(hào)為ISOW7741 對(duì)應(yīng)官網(wǎng)資料頁(yè)面如下

https://www.ti.com.cn/product/cn/ISOW7741

官網(wǎng)也提供了較為詳盡的設(shè)計(jì)資料,包括兩款EVM設(shè)計(jì)板和IBIS仿真模型,方便用戶進(jìn)行電路仿真。同時(shí)提供了芯片封裝,以供用戶自行設(shè)計(jì)板卡。

ISO7441的數(shù)據(jù)速率為100Mbps,可以滿足絕大多數(shù)場(chǎng)景的使用,例如隔離下載器等應(yīng)用,

同時(shí)集成式直流/直流轉(zhuǎn)換器可提供高達(dá) 550mW 的隔離式電源,無需在空間受限的隔離設(shè)計(jì)中使用單獨(dú)的隔離式電源,可以大大減少產(chǎn)品體積。

 

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。

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