作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

各種高壓應用（包括工廠自動化和電機驅動等工業 4.0 系統）中存在電源和信號線時，需要為設備和用戶提供強大的保護。這擴展到汽車和電動汽車 (EV)、醫療系統、測試和測量應用以及光伏系統和電網基礎設施等綠色能源系統。為了實現這種保護，需要某種形式的隔離。

設計人員面臨的挑戰是確保隔離機制緊湊、高效且具有成本效益，同時支持雙向信號傳輸和電力傳輸。由于隔離機制必須確保操作員免受高壓影響并確保系統可靠運行，因此隔離設備必須符合國際電工委員會 (IEC) 60747-5 和 IEC 60747-17 等標準。

使用光耦合器或變壓器進行電流隔離的傳統方法可以滿足 IEC 標準，但在某些應用中存在局限性。為了更可靠地滿足設備和用戶保護要求，同時提供雙向信號傳輸，需要使用電容和磁性技術進行電流隔離。

本文簡要介紹電流隔離。然后，它回顧了 IEC 標準，并研究了如何使用集成電容和磁性技術來實現電流隔離。它介紹了德州儀器 (TI) 的電流[隔離解決方案]示例，適用于包括結合電容和磁性技術的通用隔離器等應用。還討論了加速設計過程的評估板。

電流隔離的作用

電流隔離可防止電子或電氣系統功能部分之間的電流流動，但支持各部分之間模擬和數字信號以及電力的傳輸（圖 1）。電流隔離可用于：

• 連接具有不同接地電位的功能部分
• 通過停止共享接地的功能部分之間的電流來打破接地環路
• 保護操作員免受高壓部分的電擊危險

圖 1：電流隔離允許數據和/或功率流動，但隔離部分之間沒有接地電流。 （圖片來源：德州儀器）

隔離類型和選擇

有多種隔離類型可供選擇，并且管理其使用的國際標準也不同，例如用于磁隔離和電容隔離的 IEC 60747-17 以及用于光耦合器的 IEC 60747-5-5（表 1）。

• 功能或操作隔離可確保系統正常運行，但不能保護用戶免受高電壓的影響。它不屬于安全法規的范圍。
• 基本隔離是安全法規中包含的最簡單的隔離形式。它可以保護用戶免受電擊，但如果發生故障，用戶仍然可能接觸到高壓。
• 補充隔離在基本隔離之上添加了一層。如果基本隔離失敗，它可以保護用戶免受高電壓的影響。
• 雙重隔離不是單獨的隔離類型。它是指同時使用基本隔離和補充隔離。然而，大多數標準和安全文件都將雙重隔離稱為隔離類型。
• 強化隔離是一種單隔離系統，可提供相當于雙重隔離的保護。增強隔離的性能和測試要求比基本或補充隔離方法更嚴格。

表 1：增強隔離的測試和操作要求比基本隔離更嚴格。 （表格來源：德州儀器）

雖然光耦合器廣泛用于電流隔離目的，但它們只能用在信號線上，效率往往較低，只能在一個方向發送數據，并且有帶寬限制。光耦合器帶寬可以通過添加 LED 驅動電路和放大器來提高，但這會導致更高的成本和能耗。使用變壓器提供磁隔離可以為電源和高速信號線提供有效的解決方案，但分立變壓器體積龐大且成本高昂。

為了可靠、更有效地滿足電流隔離的要求，設計人員可以采用符合 IEC 隔離標準的集成電容和磁性解決方案。電容隔離器支持模擬信號和高速雙向數據傳輸，但功率傳輸能力有限。集成磁隔離可以支持高速數據的雙向傳輸和更高級別的功率傳輸。

隔離特性

隔離電壓、工作電壓和共模瞬態抗擾度（CMTI）是隔離器的三個關鍵特性。隔離電壓指定隔離器可以短時間免受危險電壓影響的最大電壓。工作電壓是隔離器設計使用的長期電壓。

CMTI 是施加在兩個隔離電路之間的公共電壓瞬變的最大轉換速率（頻率），可以承受該電壓，并且不會對跨隔離柵的數據傳輸產生不利影響。 CMTI 以千伏每微秒 (kV/μs) 或伏每納秒 (V/ns) 為單位。隔離接地層之間的電容是瞬態能量穿過勢壘并破壞數據或波形的路徑。高 CMTI 表明系統穩健，即使暴露于快速瞬態事件，兩側也能在規格范圍內運行。低 CMTI 可能會導致失真、信息丟失、抖動和其他信號完整性問題。 100 V/ns 或更高的 CMTI 表示高性能隔離器。

除了電氣規格外，隔離器還必須滿足與間隙和爬電距離相關的機械要求。間隙是相鄰導體之間通過空氣的距離，而爬電距離是它們之間穿過封裝表面的距離。

各種封裝樣式和尺寸可提供不同級別的爬電距離和間隙性能。模塑料的選擇以及具有所需介電強度的絕緣體材料的使用也是決定隔離等級的因素。常用材料的介電強度有：

• 空氣 ≈ 1 伏均方根每微米 (V 有效值 /μm)
• 環氧樹脂 ≈ 20 V 有效值 /μm
• 二氧化硅填充模塑料 ≈ 100 V 有效值 /μm
• 聚酰亞胺聚合物 ≈ 300 V 有效值 /μm
• 二氧化硅 (SiO2) ≈ 500 V 有效值 /μm

電流隔離技術

光耦合器使用 LED 通過介電絕緣體將模擬或數字信號傳輸到光電晶體管。如前所述，它們是單向設備。光耦合器中使用的常見絕緣材料包括空氣、環氧樹脂或模制化合物。由于這些材料的介電強度相對較低，因此 LED 和光電晶體管之間需要更大的物理距離才能實現給定的隔離級別。

電容隔離使用 SiO2 絕緣屏障。與大多數環氧樹脂或模塑料相比，SiO2 具有高介電強度，并且在暴露于極端溫度的濕氣中時更加穩定。電容隔離使用各種調制技術（例如開關鍵控或相移鍵控）來跨屏障傳輸交流信號。電容隔離結構緊湊，可以雙向傳輸高速信號，但功率傳輸能力非常有限，通常<100 微瓦 (μW)。

磁隔離器可以跨隔離柵傳輸信號和電力。其中一些隔離器可以傳輸數百毫瓦 (mW) 的功率，并且可以取代次級側偏置電源。磁隔離器可以使用空氣芯或鐵氧體芯。鐵氧體磁芯可以承受更大的功率。當功率需求低于約 100 mW 時，空芯可以提供成本更低、更簡單的解決方案。這三種技術均支持不同的信號和電力傳輸組合（圖 2）。

圖 2：光耦合器 (A) 只能傳輸信號，電容隔離器 (B) 可以傳輸有限的功率和信號，磁隔離器 (C) 可以處理更高的功率水平和信號。 （圖片來源：德州儀器）

電源和信號隔離

需要高達 650 mW 的隔離電源和四個能夠實現 100 兆比特每秒 (Mbps) 傳輸速率的隔離信號通道的設計人員可以選擇德州儀器 (TI) 的[ISOW7841FDWER]。該通用器件的隔離額定值為 5 kV 均方根 (kV 有效值 )，最小 CMTI 為 ±100 kV/μs。它在信號通道上使用 SiO2 隔離，并在片上電源變壓器上使用薄膜聚合物隔離（圖 3）。 ISOW7841EVM評估板可以幫助設計人員評估隔離系統[中]的器件性能并加快上市時間。

圖 3：ISOW7841FDWER 在電源變壓器（頂部）中使用聚合物絕緣，在信號鏈（底部）中使用 SiO2 隔離電容器。 （圖片來源：德州儀器）

隔離式汽車 DC/DC

需要 500 mW 和 5 kV有效值隔離的汽車系統可以使用德州儀器 (TI) 的符合 AEC-Q100 標準的[UCC12051QDVERQ1] 。它的最小 CMTI 為 100 V/ns，浪涌能力為 10 kV 峰值 ，工作電壓為 1.2 kV 有效值 。它使用內部振蕩器的擴頻調制和優化的內部布局來最大限度地減少輻射發射。它包括欠壓鎖定、熱關斷、使能引腳、同步功能，并提供 5.0 或 3.3 伏直流 (VDC) 輸出。

UCC12050EVM [-022]評估板使設計人員能夠測試啟用/禁用功能、同步到外部時鐘源、檢測外部時鐘故障并選擇輸出電壓。它具有紋波和瞬態響應測量的測試點。該板可以作為支持額定隔離并提供良好電磁干擾 (EMI) 性能的布局示例來簡化系統集成（圖 4）。

圖 4：除了加快 UCC12051QDVERQ1 隔離式 DC/DC 轉換器 IC 的評估之外，UCC12050EVM-022 評估板還提供了系統集成的建議布局。 （圖片來源：德州儀器）

具有電容隔離功能的 CAN 收發器

對于需要具有 1 Mbps 信號傳輸和 50 kV/μs CMTI 的控制器局域網 (CAN) 收發器的應用，德州儀器 (TI) 提供隔離等級為 5 kV RMS的[ISO1050DWR]和額定隔離等級為 2.5 kV RMS的ISO1050DUB。這些收發器符合高速 CAN 操作的 ISO 11898-2 規范（圖 5）。它們的額定工作溫度范圍為 -55 至 105 攝氏度 (°C)，包括 -27 至 40 伏的過壓、跨線和接地保護缺失、過熱關斷以及 -12 至 +12 伏共模范圍。[](https://www.digikey.cn/zh/products/detail/texas-instruments/ISO1050DUB/2231781)

圖 5：隔離式 ISO1050DWR 和 ISO1050DUB 收發器符合高速 CAN 操作的 ISO 11898-2 標準。 （圖片來源：德州儀器）

[ISO1050EVM]評估模塊具有輸入和輸出連接以及用于關鍵性能測量的測試點，可以加快這些器件與汽車系統的集成速度。

隔離 RS-485/RS-422 收發器

需要具有 5 kV RMS隔離的 500 kbps 速率的 RS-485/RS-422 收發器的系統可以從 Texas Instruments 的半雙工[ISO1410BDWR]或全雙工[ISO1412BDWR]中進行選擇（圖 6）。 SiO2 隔離柵在存在較大接地電位差的情況下支持穩健的數據傳輸。這些收發器的額定工作溫度范圍為 -40 至 125 °C。總線引腳設計可承受高水平的靜電放電 (ESD) 和電快速瞬變 (EFT) 事件，無需額外的保護組件。

圖 6：全雙工 ISO1412BDWR（頂部）和半雙工 ISO1410BDWR（底部）支持 500 kbps 數據速率并具有 5 kV有效值隔離（垂直虛線）。 （圖片來源：德州儀器）

設計人員可以使用[ISO1410DWEVM]和[ISO1412DWEVM]評估板來評估各種系統參數。可以應用測試信號和序列，并且可以評估傳播延遲、功耗以及不同總線和驅動器條件等性能特征。

結論

高壓工業 4.0、汽車、醫療、綠色能源和其他系統的設計者需要電流隔離來保護設備和用戶，同時滿足尺寸、成本和可靠性要求以及相關的安全標準。如圖所示，電源和信號線中的電容和磁電隔離可以產生緊湊且高性能的解決方案。這些隔離技術具有高 CMTI，并滿足 IEC 60747-17 對增強隔離的要求。