一、電氣隔離定義

電隔離是將具有非理想效果的部件與其他部件分開。在電子電路中，電介質(zhì)是通過阻斷直流電來隔離的。隔離電路如何在更大的電氣系統(tǒng)中工作？這個(gè)問題的答案是本文的主題。隨著德州儀器和其他供應(yīng)商推出的產(chǎn)品數(shù)量不斷增加，傳輸隔離信號的選擇也在增加，這也使得設(shè)計(jì)師對產(chǎn)品的選擇更加復(fù)雜。本文介紹了隔離器的重要特性，并說明了產(chǎn)品之間的異同。

在回顧了電路隔離的必要性后，討論了介質(zhì)信號傳輸和模數(shù)隔離器的三種方法，并對每種數(shù)字隔離器的實(shí)例進(jìn)行了描述和比較。換句話說，電隔離是一種腐蝕控制方法。導(dǎo)體容易受到來自不同金屬的雜散電流的腐蝕。為這些導(dǎo)體提供良好的隔離，這樣可以顯著地控制腐蝕。

電氣隔離是由一個(gè)機(jī)械開關(guān)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)需要時(shí)，它將部分電路與主電源系統(tǒng)隔離。

二、電氣隔離意義

隔離電路的主要原因是保護(hù)電路不受危險(xiǎn)電壓和電流的影響。在圖1的醫(yī)療應(yīng)用示例中，即使是很小的交流電流也會造成致命傷害，因此需要一個(gè)隔離層來保護(hù)患者。隔離還可以保護(hù)敏感電路免受工業(yè)應(yīng)用中出現(xiàn)的高電壓的影響。圖2中的工業(yè)示例只是一個(gè)高壓測量。將傳感器與實(shí)際高電壓隔離，可以測量低壓電路。

圖1：醫(yī)療應(yīng)用示例

圖2：工業(yè)應(yīng)用示例

保護(hù)的原理是隔離各種系統(tǒng)或電路中可能出現(xiàn)的高電位。在圖3所示的電纜應(yīng)用程序中，一個(gè)遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)程序與接收器隔離。經(jīng)過如此長的距離，地面可能處于不同的電壓。通過隔離，在隔離器中形成電壓差而不是敏感電路。

圖3：裝置間的接地電壓差

如圖4所示，隔離中斷與其他電路元件有關(guān)的高阻抗電路路徑形成的回路。通過中斷環(huán)路，噪聲電壓出現(xiàn)在隔離層上，而不是接收器或更敏感的部件上。高噪聲電壓可由外部電流或電壓源（例如感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和雷電）耦合。

圖4：隔離中斷電路路徑形成的回路

三、電路隔離器

在允許通過電磁或光鏈路傳輸模擬或數(shù)字信號的同時(shí)，電路隔離器防止電路之間的低頻電流。數(shù)字隔離器傳輸二進(jìn)制信號，而模擬隔離器在隔離層傳輸連續(xù)信號。在模擬和數(shù)字隔離器中，工作電壓和峰值額定電壓以及共模瞬態(tài)抗擾度是隔離層的重要特性。當(dāng)隔離數(shù)字信號時(shí)，隔離電路的這些重要特性是輸入和輸出邏輯電壓電平、信號速率、數(shù)據(jù)運(yùn)行長度和自我保護(hù)響應(yīng)。

傳統(tǒng)上，變壓器、電容器或光電二極管、晶體管和分立電路都根據(jù)輸入和輸出信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足特定的需要。這種方法是有效的，但它不能從一個(gè)應(yīng)用程序轉(zhuǎn)移到另一個(gè)應(yīng)用程序。雖然這可能會保留模擬隔離器，但市場上已經(jīng)出現(xiàn)了新一代數(shù)字隔離器，它使用創(chuàng)新電路以超過100mbps的直流信號速率隔離標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號。這些通用數(shù)字隔離器各有優(yōu)缺點(diǎn)。以下章節(jié)將介紹各種技術(shù)，并將特定產(chǎn)品與TI的新ISO72x系列進(jìn)行比較。

• 3.1光耦合技術(shù)

光耦合是指光在透明的絕緣層（如氣隙）上的傳輸以進(jìn)行隔離。圖5顯示了數(shù)字隔離器的主要組件。電流驅(qū)動(dòng)器使用數(shù)字輸入并將信號轉(zhuǎn)換成電流來驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED）。輸出緩沖器將光電探測器的電流輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出。

圖5：基本光學(xué)耦合機(jī)制

光耦合技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是光天生不受外界電子或磁場的影響，而光耦合技術(shù)允許恒定的信息傳輸。光耦的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在限速、功耗和LED老化等方面。

光耦的最大信號速率取決于LED開關(guān)的速度。從目前現(xiàn)有產(chǎn)品來看，最快的光耦HCPL-0723，其信號速率可以達(dá)到50Mbps。

輸入到輸出的電流傳輸比（CTR）是光耦合器和led的一個(gè)重要特性，通常需要10mA的輸入電流才能實(shí)現(xiàn)高速數(shù)字傳輸。這個(gè)比率調(diào)整用來驅(qū)動(dòng)LED的電流和光電晶體管產(chǎn)生的電流。隨著時(shí)間的推移，led的效率越來越低，需要更多的電流來產(chǎn)生相同亮度和相同輸出電流的光電晶體管。在許多數(shù)字隔離器中，內(nèi)部電路控制LED驅(qū)動(dòng)電流，用戶無法補(bǔ)償下降的CTR。LED的優(yōu)勢被削弱了，隔離器不再像以前那樣高效工作。

• 3.2電感耦合

感應(yīng)耦合技術(shù)利用兩個(gè)線圈之間不斷變化的磁場在隔離層上進(jìn)行通信。最常見的例子是變壓器，其磁場取決于一次繞組和二次繞組的線圈配置（每單位長度的匝數(shù)）、鐵芯的介電常數(shù)和電流振幅。圖6顯示了一個(gè)帶有信號調(diào)節(jié)電路模塊的變壓器。

圖6：電感隔離

感應(yīng)耦合的優(yōu)點(diǎn)是可能的共模差分和差分傳輸特性。設(shè)計(jì)良好的變壓器允許噪聲和信號頻率重疊，但會表現(xiàn)出高噪聲共模阻抗和低信號差分阻抗。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是信號能量傳輸效率可以接近100%，使得低功耗隔離器成為可能。

感應(yīng)耦合技術(shù)的主要缺點(diǎn)是外部磁場的磁化（噪聲）。工業(yè)應(yīng)用通常需要磁場隔離。例如，運(yùn)動(dòng)控制。數(shù)字變壓器傳輸?shù)牧硪粋€(gè)缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)的運(yùn)行長度。信號轉(zhuǎn)換器在一定的頻率和幅度范圍內(nèi)傳輸信號，其失真是可以接受的。為了使信號保持在可用的變壓器帶寬內(nèi)，需要數(shù)據(jù)運(yùn)行長度限制或時(shí)鐘編碼。

采用感應(yīng)耦合的通用數(shù)字隔離器在傳輸?shù)皖l信號（1或0個(gè)長字符）的同時(shí)，需要信號處理來傳輸和重構(gòu)數(shù)字信號。NVE/Avago的Isoloop和ADI（模擬設(shè)備公司）的iCoupler使用編碼功能并提供支持DC-100Mbps操作的數(shù)字隔離解決方案。

ADUM1100是模擬器件ic耦合器技術(shù)的一個(gè)例子。ADUM1100使用一個(gè)基本的變壓器跨隔離柵傳輸信息。這種Isoloop技術(shù)（例如HCPL-0900）用電阻網(wǎng)絡(luò)代替了次級線圈，如圖7所示。電阻是由巨磁電阻（GMR）材料組成，它隨磁場的作用而變化。電路感應(yīng)電阻的變化并滿足其輸出條件。當(dāng)交流性能得到改善并超過現(xiàn)有光耦合器的性能時(shí)，該技術(shù)被引入市場。現(xiàn)在，隨著ADI的數(shù)字隔離器和TI的ISO72x系列器件的引入，這些Isoloop器件的性能已經(jīng)被超越。

圖7:GMR結(jié)構(gòu)

• 3.3電容耦合

電容耦合技術(shù)利用不斷變化的電場在隔離層上傳輸信息。每個(gè)電容器板之間的材料是一個(gè)介質(zhì)隔離器，形成一個(gè)屏障。板的尺寸、板之間的間距和介電材料都決定了電性能。

圖8：電容耦合

使用電容隔離層的優(yōu)點(diǎn)是尺寸和能量傳輸效率高，以及對磁場的免疫力。前者使集成低功耗、低成本的隔離電路成為可能；后者使得在飽和或高密度磁場中工作成為可能。

電容耦合技術(shù)的缺點(diǎn)是沒有差分信號和噪聲，信號共享同一個(gè)傳輸通道，這與變壓器不同。這要求信號的頻率明顯高于噪聲的預(yù)期頻率，以便隔離電容器顯示信號的低阻抗和噪聲的高阻抗。在感應(yīng)耦合的情況下，電容耦合不能傳輸穩(wěn)態(tài)信號，需要時(shí)鐘編碼的數(shù)據(jù)。

• 3.3.1 TI引入ISO72x--電氣隔離試驗(yàn)

TI公司介紹了采用電容耦合技術(shù)的ISO72x系列隔離器。電容耦合解決方案采用成熟、低成本的制造工藝，磁場具有固有的抗擾性。

為了提供恒定的信息傳輸，ISO72x使用高信號速率和低信號速率信道進(jìn)行通信，如圖9所示。高信號率信道不編碼，它通過隔離層上的單端差分轉(zhuǎn)換傳輸數(shù)據(jù)。低信噪比信道以脈寬調(diào)制格式編碼數(shù)據(jù)，并在隔離層上進(jìn)行差分傳輸，以確保在恒定條件下（長1和0個(gè)字符）進(jìn)行精確通信。

單端邏輯信號的差分傳輸隔離層允許使用低電平信號和小型耦合電容器。這為共模噪聲提供了高阻抗，并通過抑制接收機(jī)上的共模噪聲提供了極好的瞬態(tài)抗擾度。這是信號電容耦合需要解決的主要問題。

表4：可靠性測量

• 3.4隔離性能

三個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證了隔離保護(hù)的必要性，即UL 1577、IEC 60747-5-2和CSA。盡管每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)略有不同，但它提供了一個(gè)比較隔離性能的標(biāo)準(zhǔn)。通過IEC、UL和CSA測試，確認(rèn)輸入和輸出之間的電壓超過介電擊穿范圍。這些標(biāo)準(zhǔn)的使用非常簡單，因?yàn)闇y試標(biāo)準(zhǔn)與隔離方法無關(guān)。圖10顯示了隔離測試如何將隔離器視為兩個(gè)終端設(shè)備。雖然每個(gè)器件的物理結(jié)構(gòu)不同，但隔離測試是在介質(zhì)擊穿電壓下進(jìn)行的。

圖10：隔離試驗(yàn)

ISO72x系列隔離器通過UL 1577、IEC 60747-5-2、IEC 61010-1和CSA進(jìn)行測試。表1顯示了這五種設(shè)備的隔離性能，說明了三種隔離技術(shù)。

表1：隔離性能

UL、CSA和IEC三種測試方法都是對絕緣質(zhì)量的測試。UL和CSA測試是使用制造商設(shè)定的時(shí)間來測試介質(zhì)擊穿電壓的壓力測試。電介質(zhì)擊穿是該試驗(yàn)失敗的一個(gè)征兆。IEC測試使用一種稱為局部放電的現(xiàn)象來檢測電介質(zhì)中的空隙。向設(shè)備施加一個(gè)大電壓，這是制造商定義的工作電壓的函數(shù)，然后降低到另一個(gè)電壓等級Vm。在這種低電壓應(yīng)用中，被測設(shè)備被監(jiān)測介質(zhì)中的無效局部放電。這些低效率導(dǎo)致了整個(gè)電介質(zhì)的最終崩潰。

• 3.5瞬態(tài)抗擾度

高轉(zhuǎn)換率（高頻）瞬變會干擾隔離層上的數(shù)據(jù)傳輸。隔離電容器提供如圖11所示的路徑，允許瞬態(tài)事件通過隔離屏障并破壞輸出波形。法拉第屏蔽使光耦或感應(yīng)耦合器中的這部分位移電流遠(yuǎn)離重要的輸出結(jié)構(gòu)。

圖11：隔離器電容

在電容耦合解決方案中，法拉第屏蔽不是一個(gè)可行的解決方案。除了瞬變，法拉第屏蔽層還可以屏蔽用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾妶觥榱颂峁┧矐B(tài)抗擾度，ISO72x系列電容隔離器僅傳輸fo信號（僅代表最高頻率能量的數(shù)據(jù)信號）。

這使得耦合電容具有高頻噪聲頻率。另一種噪聲來自于在隔離層上傳輸數(shù)據(jù)的差分技術(shù)。圖9顯示了通過電容隔離層的四個(gè)信號；其中兩個(gè)包含低信號率信息，另兩個(gè)包含高信號率信息。通過使用差分技術(shù)，任何通過隔離屏障的剩余共模瞬態(tài)都可以在真實(shí)信號和補(bǔ)償信號中看到，并且差分接收器可以抑制它們。如表2所示，ISO72x系列器件的瞬態(tài)抗擾度高達(dá)25kV/us，與其他同類器件相當(dāng)。

• 3.6自動(dòng)保護(hù)

數(shù)據(jù)線電路和數(shù)字隔離器需要注意輸入信號和輸出狀態(tài)的損失。當(dāng)電纜斷開或直接從隔離器輸入端切斷電源時(shí)，可能會出現(xiàn)輸入損耗。自動(dòng)保護(hù)是指輸入丟失時(shí)的確定或已知的輸出狀態(tài)。ISO72x系列使用周期性脈沖來確定輸入結(jié)構(gòu)是否通電和工作。如果隔離器輸出在4us后沒有接收到脈沖，則輸出設(shè)置為高狀態(tài)。ADUM11 ADUM1100還在IC的輸出端口集成了一個(gè)自動(dòng)保護(hù)電路。Anwar Technology推出的光學(xué)解決方案（HCPL-0721和-0723）并未提及自動(dòng)保護(hù)，而感應(yīng)式GMR解決方案（HCPL-0900）則明確描述了功率排序過程中輸出的不確定性。

• 3.7功耗

除了隔離層的信號傳輸效率外，輸入和輸出調(diào)節(jié)電路的設(shè)計(jì)與功耗最相關(guān)。比表中所示的光耦合器或電容器消耗更多的功率。

表3：靜態(tài)電源電流

• 3.8可靠性

平均失效時(shí)間（MTTF）是衡量半導(dǎo)體器件可靠性的標(biāo)準(zhǔn)方法。對于數(shù)字隔離器，這種測量顯示了集成電路和隔離機(jī)制的可靠性。表4顯示了光學(xué)、電感和電容數(shù)字隔離器的MTTF。與感應(yīng)和光學(xué)解決方案相比，ISO721是非常可靠的。

表4：可靠性測量

ADUM1100可靠性數(shù)據(jù)表沒有明確說明MTTF，但它提供了可靠性測試的結(jié)果。表5顯示了ISO721和ADUM1100可靠性測試參數(shù)。

表5：原始可靠性數(shù)據(jù)

• 3.9外部磁場抗擾度

圖12比較了ADUM1100和ISO72x的磁場抗擾度（未找到HCPL-0900的數(shù)據(jù)）。相對而言，雖然這兩個(gè)例子對磁場有一定的免疫力，但I(xiàn)SO72x提供了更大的裕度。如前所述，光耦隔離電路對外部磁場具有固有的磁化抗擾度。

圖12：對外部磁場的敏感性

四、電氣隔離結(jié)論

降噪和噪聲保護(hù)使隔離器廣泛應(yīng)用于中斷接地回路和隔離接地電壓差的電子電路中。設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在有許多數(shù)字信號隔離的選擇，包括TI的ISO72x系列的關(guān)鍵功能。如信號速度、介質(zhì)擊穿電壓、瞬態(tài)沖擊電阻、功耗、磁場抗沖擊性和可靠性等各方面都有良好的表現(xiàn)。表6總結(jié)了本報(bào)告中討論的示例的特點(diǎn)。

五、常見問題

1電隔離是什么意思？

電隔離是將具有非理想效果的部件與其他部件分開。在電子電路中，電介質(zhì)是通過阻斷直流電來隔離的。

2為什么電氣隔離很重要？

所有電氣裝置至少在消耗計(jì)量點(diǎn)有隔離裝置。隔離的目的是防止觸電、燒傷和彈道——電弧閃光的影響。。。隔離應(yīng)保持安全，以防止電源重新連接。

3電隔離的類型是什么？

根據(jù)電力系統(tǒng)的位置，隔離器可分為母線側(cè)、線路側(cè)和轉(zhuǎn)換母線側(cè)三種類型。

4隔離變壓器的優(yōu)點(diǎn)是什么？

隔離變壓器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以減少電涌。由于電源的直流信號是隔離的，所以電氣設(shè)備可以平穩(wěn)運(yùn)行而不存在電涌的風(fēng)險(xiǎn)。這意味著即使出現(xiàn)電源故障，設(shè)備也可以在高水平上運(yùn)行。

5如何進(jìn)行隔離測試？

通常情況下，您將兩根導(dǎo)線（正極和負(fù)極）連接在絕緣屏障上。第三根導(dǎo)線連接到保護(hù)端子，可能在您的測試儀中可用，也可能不可用。如果是，你可能需要也可能不需要使用它。

6什么是隔離PLC？

過程控制模擬輸入模塊中的隔離。電流隔離是物理上和電氣上分離兩個(gè)電路的原理，這樣就沒有直接的傳導(dǎo)路徑，但是數(shù)據(jù)和電力仍然可以交換。這通常是通過變壓器、光耦或電容器來實(shí)現(xiàn)的。

7什么是電源隔離？

一個(gè)隔離的電源有一個(gè)與它的電源輸入電獨(dú)立的電源輸出。。。當(dāng)一個(gè)電源有多個(gè)隔離的電源輸出時(shí)，這意味著輸出電壓彼此獨(dú)立，并且輸出之間沒有連接。

8隔離器和斷路器的區(qū)別是什么？

隔離器和斷路器之間的主要區(qū)別在于，隔離器在卸載條件下斷開電路，而斷路器在有載條件下斷開電路。。。隔離器和斷路器的操作、功能和承受能力。

9隔離變壓器能防止觸電嗎？

隔離變壓器提供電流隔離；電源和負(fù)載之間沒有導(dǎo)電路徑。這種隔離用于防止電擊，抑制敏感設(shè)備中的電噪聲，或在兩個(gè)不能連接的電路之間傳輸功率。

10為什么工廠和PLC CPU之間需要隔離？

這些傳感器通常遠(yuǎn)離PLC本身，這意味著電纜敷設(shè)較長。這種情況通常會產(chǎn)生地電位差，從而使傳感器數(shù)據(jù)傾斜并引入誤差。需要某種形式的隔離以確保準(zhǔn)確性。