在任何高壓電源系統(tǒng)中，首要的考慮事項(xiàng)是確保維護(hù)人員和終端設(shè)備用戶(hù)的安全。為了同時(shí)滿(mǎn)足這個(gè)優(yōu)先事項(xiàng)，電隔離技術(shù)被廣泛應(yīng)用于將高電壓與其他低電壓的人機(jī)界面分離開(kāi)來(lái)。其次，確定高電壓和低電壓電路之間的安全可靠運(yùn)行成為第二個(gè)優(yōu)先事項(xiàng)，其中包括電壓和電流檢測(cè)、電源控制、數(shù)字通信和信號(hào)處理等方面。利用可靠的隔離技術(shù)、材料和集成電路，設(shè)計(jì)人員能夠滿(mǎn)足這一優(yōu)先級(jí)要求，并確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

什么是電隔離？

電隔離分隔電氣系統(tǒng)，從而防止兩個(gè)器件之間產(chǎn)生直流電流和有害的交流電流，同時(shí)仍允許信號(hào)和電源傳輸。下圖展示了兩個(gè)電隔離電路。

當(dāng) GND1 從 GND2 斷開(kāi)時(shí)，I1 與 I2 實(shí)現(xiàn)電隔離。由于GND1 和 GND2 之間沒(méi)有共性，因此沒(méi)有通過(guò)隔離柵共享共同的直流接地電流。除了在不導(dǎo)通的情況下隔離共享的接地連接和信號(hào)通信，由于 GND2 可轉(zhuǎn)移到相對(duì)于 GND1的另一個(gè)浮動(dòng)電勢(shì)，因此還可以使用電隔離進(jìn)行電壓電平轉(zhuǎn)換。

由于更多的雙向信號(hào)信息通過(guò)隔離柵進(jìn)行通信，因此高電壓系統(tǒng)需要更多的隔離。下圖展示了以下示例：電源、高速柵極驅(qū)動(dòng)器信號(hào)和數(shù)字通信信號(hào)都必須穿過(guò)隔離柵。許多模擬和數(shù)字電路都有特定的偏置電壓要求，數(shù)字信號(hào)和電源都必須穿過(guò)隔離柵。在同一系統(tǒng)中，隔離式高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)可能需要 3.3V，而隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器可能需要+15V 和 –5V。這些要求不僅讓信號(hào)穿過(guò)隔離柵，還要穿過(guò)電源。

高電壓電隔離問(wèn)題在系統(tǒng)中構(gòu)建可靠的隔離柵時(shí)，需要考慮很多因素，包括隔離額定值、爬電距離和電氣間隙、CMTI 和 EMI。功能、基本和增強(qiáng)型隔離指的是分配給電氣系統(tǒng)的絕緣額定級(jí)別，如下中所列。

功能隔離指的是為系統(tǒng)分配極少隔離，以便使系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，但不一定能防止電擊。功能隔離的一個(gè)例子是在給定電壓額定值下維持適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒?PCB)導(dǎo)體間距。

基本隔離提供“足夠的”電擊防護(hù)，具有與最高系統(tǒng)級(jí)電壓同等的安全等級(jí)。

增強(qiáng)型隔離是應(yīng)用于高電壓系統(tǒng)的最高商用等級(jí)。滿(mǎn)足增強(qiáng)型隔離要求的一種方法是在隔離柵上引入更遠(yuǎn)的距離，使其能夠承受更高的電壓測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和更長(zhǎng)的額定壽命。例如，在國(guó)際電工委員會(huì)(IEC) 60747-17 和 IEC 607475-5中，與基本隔離相比，強(qiáng)制局部放電測(cè)試電壓(VPD)更高。若要認(rèn)證高電壓系統(tǒng)是否符合增強(qiáng)型隔離要求，首先需要選擇符合由各個(gè)委員會(huì)定義的安全和認(rèn)證測(cè)試協(xié)議的隔離器。美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室(UL)是美國(guó)的一家全球安全認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室，但不同的國(guó)家/地區(qū)要求遵守其當(dāng)?shù)鼗騾^(qū)域系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。因此，打算在全球使用的隔離器必須符合各種國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)。

隔離器有幾個(gè)重要參數(shù)。例如，爬電距離和間隙距離是穿過(guò)隔離柵的兩根導(dǎo)電引線(xiàn)間的最短距離。如下圖所示，爬電距離是在穿過(guò) IC 封裝表面的鄰接導(dǎo)體之間測(cè)得的最短距離，而間隙距離在空氣中測(cè)得。

封裝技術(shù)在實(shí)現(xiàn)更高的爬電距離和間隙距離測(cè)量值方面起著重要的作用，可為工程師提供不同的選項(xiàng)。高質(zhì)量模塑化合物、寬體封裝和更高的增強(qiáng)型隔離等級(jí)相輔相成，因?yàn)楦叩母綦x等級(jí)需要更寬的封裝和更好的模塑化合物，以便封裝不會(huì)引發(fā)擊穿和電弧。另一個(gè)參數(shù)是 CMTI，它指明了隔離器在高速瞬變情況下可靠運(yùn)作的能力，以千伏/微秒或伏/納秒為單位。

寬帶隙半導(dǎo)體的普及導(dǎo)致出現(xiàn)更高瞬變電壓(dV/dt)的邊沿速率，使得 CMTI 的測(cè)量對(duì)于監(jiān)測(cè)隔離器的恢復(fù)性至關(guān)重要。高性能隔離器的 CMTI 額定值很容易達(dá)到 100V/ns，許多CMTI 測(cè)試的結(jié)果都超過(guò) 200V/ns。使用低 CMTI 隔離器在高 dV/dt 環(huán)境中預(yù)期會(huì)出現(xiàn)信號(hào)完整性問(wèn)題，例如脈沖抖動(dòng)、失真、運(yùn)行不穩(wěn)定或丟失脈沖信息。

IC 級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的隔離考量是類(lèi)似的。我們通常要在更小的IC 封裝尺寸、更高的集成度、熱管理和符合認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)與降低 EMI 和實(shí)現(xiàn)更高效率的需求之間進(jìn)行權(quán)衡取舍。選擇旨在滿(mǎn)足 IC 級(jí)的所有這些需求的隔離型組件，有助于無(wú)縫過(guò)渡到系統(tǒng)級(jí)別的完全增強(qiáng)型合規(guī)性。

隔離方法因?yàn)?IC 可以阻斷直流和低頻交流電流，而允許電源、模擬信號(hào)或高速數(shù)字信號(hào)通過(guò)隔離柵，因此它們是用于在現(xiàn)代高電壓系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)隔離的基本構(gòu)建塊。下圖展示了三種常用的半導(dǎo)體技術(shù)：光學(xué)（光耦合器）、電場(chǎng)信號(hào)傳輸（電容式）和磁場(chǎng)耦合（變壓器）。

每種技術(shù)都依賴(lài)一種或多種半導(dǎo)體絕緣材料（例如下表中列出的材料）來(lái)達(dá)到所需的隔離性能水平。更高電介質(zhì)強(qiáng)度的材料對(duì)于在給定距離，會(huì)有更好的隔離電壓效果。

光學(xué)隔離

光耦合器是指在模擬和數(shù)字信號(hào)隔離應(yīng)用中使用的 IC。它們的工作原理是，通過(guò)空氣、環(huán)氧樹(shù)脂或模塑化合物等電介質(zhì)絕緣材料，將 LED 光源傳輸?shù)焦饩w管。從上表中可以看出，這些材料具有極低的電介質(zhì)強(qiáng)度，因此需要更多的物理分隔來(lái)實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的隔離。盡管發(fā)光二極管光子是已知超快的電磁能量傳輸介質(zhì)，但LED 開(kāi)關(guān)速度、正向偏置要求和驅(qū)動(dòng)電路將其信號(hào)速率限制在每秒幾兆位以下。

此外，光傳輸效率無(wú)法傳輸足夠的功率以有效用作電源，因此通常光耦合器僅用于傳輸數(shù)據(jù)。光耦合器封裝內(nèi)的 LED 驅(qū)動(dòng)電路和放大器等組合功能有助于實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率，但成本更高。輸入至輸出電流傳輸比是光耦合器增益的量度，會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化和退化。設(shè)計(jì)人員會(huì)通過(guò)超額指定所需的偏置電流來(lái)補(bǔ)償這種老化效應(yīng)。因此，與電容和磁隔離器相比，光耦合器往往具有更高的功耗。

電容隔離

由于電容器天生就能阻斷直流信號(hào)，因此電容隔離技術(shù)基于穿過(guò)電介質(zhì)的交流信號(hào)傳輸，使用開(kāi)關(guān)鍵控、相移鍵控、基于邊沿的傳輸或其他類(lèi)型的更高階調(diào)制等方案。下圖 展示了一對(duì)非常基本的調(diào)制器/解調(diào)器，使用差分信號(hào)通過(guò)串聯(lián)電容隔離柵。這些電容器可以發(fā)送數(shù)據(jù)和非常有限的功率。下圖顯示了用于構(gòu)建隔離柵的兩個(gè)電容器，但根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求和所需的隔離額定值，一個(gè)電容器也可能滿(mǎn)足應(yīng)用要求。

串聯(lián)電容隔離器是多芯片模塊，包含發(fā)送器（左裸片）和接收器（右裸片）。如下圖所示，每個(gè)裸片都有一個(gè)專(zhuān)用電容器，用于提供高電壓隔離和電擊防護(hù)，同時(shí)滿(mǎn)足增強(qiáng)型隔離要求，相當(dāng)于兩級(jí)基本隔離。

可以在一個(gè) IC 封裝中放置多個(gè)電容通道，任一側(cè)可以是發(fā)送器或接收器，從而實(shí)現(xiàn)雙向信號(hào)通信。電容隔離器具有低傳播延遲，可以在超過(guò) 150Mbps 的速率下傳輸數(shù)據(jù)，并且與光耦合器相比消耗更少的偏置電流，但隔離邊界的各側(cè)仍需要單獨(dú)的偏置電源電壓。

磁隔離

雖然電容隔離器普遍用于低壓模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)傳輸或需要有限功率傳輸(<100μW)?的應(yīng)用，但集成式 IC 磁隔離技術(shù)在需要高頻直流/直流電源轉(zhuǎn)換的應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。IC變壓器耦合隔離的一個(gè)特定優(yōu)勢(shì)是可以在大多數(shù)應(yīng)用中傳輸超過(guò)數(shù)百毫瓦的功率，無(wú)需次級(jí)側(cè)偏置電源。也可以使用磁隔離來(lái)發(fā)送高頻信號(hào)。在需要同時(shí)發(fā)送電源和數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中，您可以使用相同的變壓器繞組線(xiàn)圈來(lái)滿(mǎn)足功率和信號(hào)需求，如下圖所示。

綜上所述，光學(xué)隔離、電容隔離和磁隔離作為常見(jiàn)的隔離技術(shù)，在通信、電子設(shè)備、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。光學(xué)隔離通過(guò)利用光的特性實(shí)現(xiàn)信號(hào)的單向傳輸，電容隔離利用電容效應(yīng)消除信號(hào)的交叉干擾，磁隔離則通過(guò)磁場(chǎng)的屏蔽來(lái)隔離信號(hào)。這些隔離技術(shù)保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、數(shù)據(jù)的安全傳輸，并減少了干擾和噪聲的影響。隨著科技的不斷發(fā)展，隔離技術(shù)將繼續(xù)發(fā)揮著重要作用，助力各個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng)新與進(jìn)步。

審核編輯：劉清