如何為物聯(lián)網(wǎng)傳感器選擇合適的電流隔離技術(shù)

各種新型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的增長使許多設(shè)計(jì)人員面臨著在傳感器和其他電子設(shè)備之間提供電流（歐姆）隔離的挑戰(zhàn)。這種隔離對于信號完整性、系統(tǒng)保護(hù)和用戶安全至關(guān)重要，但設(shè)計(jì)人員必須從三種主要隔離技術(shù)中進(jìn)行選擇：磁性、光學(xué)和電容式屏障。

這些選項(xiàng)中的每一個(gè)都具有相似的性能特征，但具有細(xì)微的差異，設(shè)計(jì)人員在選擇它們之前需要了解這些差異。為此，本文將討論隔離在傳感器中的作用，然后介紹各種選項(xiàng)、它們的不同特性以及如何應(yīng)用它們。

它還將介紹數(shù)字隔離，并提供數(shù)字隔離器的更多示例。

隔離的基本要素

當(dāng)傳感器或傳感器子電路被“隔離”時(shí)，它與電路的其余部分之間沒有電氣路徑，使用歐姆表進(jìn)行基本測量時(shí)，兩個(gè)部分之間沒有電流流動(dòng)（圖 1）。由于這種屏障，挑戰(zhàn)在于將信號從隔離子電路傳輸?shù)较到y(tǒng)的其余部分。在許多情況下，還有一個(gè)額外的挑戰(zhàn)：為隔離子電路供電，而無需通過電源子系統(tǒng)進(jìn)行“繞行路徑”，這將否定任何隔離。

圖 1：在隔離系統(tǒng)中，未接地的傳感器和系統(tǒng)（可能接地）之間沒有電流路徑，但某種類型的信息承載能量必須從一側(cè)傳遞到另一側(cè)。（圖片來源：Digi-Key，基于 www.ee.co.za 年的原始資料）

隔離的原因包括：

• 傳感器是“浮動(dòng)的”，不得與系統(tǒng)“接地”有任何連接（系統(tǒng)“通用”是一個(gè)更準(zhǔn)確的術(shù)語，但“接地”是這里常用的誤稱）。* 即使系統(tǒng)由電池供電，因此沒有連接到“交流接地”，如果傳感器輸出位于高共模電壓（CMV）之上，則傳感器輸出也可能。此CMV會(huì)損壞其余的電子設(shè)備。例如，位于串聯(lián)堆棧頂部的單個(gè)電池單元的電壓。* 傳感器可能會(huì)無意中連接到高壓源甚至交流線路。這不僅會(huì)損壞電子設(shè)備，還會(huì)使用戶處于危險(xiǎn)之中。

幸運(yùn)的是，有一些可行的選擇來實(shí)現(xiàn)模擬傳感器隔離，可提供從數(shù)十伏到數(shù)千伏的低電平和高級隔離。后者在大眾市場應(yīng)用中（如EV/HEV）中是必需的，并且通常用于監(jiān)管安全要求。提供隔離的三種最常見方法使用磁性、光學(xué)和電容技術(shù)，每種技術(shù)的額定電壓為 >1000 V 或更高。

這些技術(shù)在其主要性能屬性方面存在顯著重疊，但也存在一些差異。決定哪一個(gè)最適合申請通常是一個(gè)困難的決定。

需要考慮的因素包括帶寬、尺寸和占用空間、成本、隔離額定值（伏特）、使用壽命等級和個(gè)人“舒適度”。找到性能參數(shù)的正確平衡取決于應(yīng)用。例如，電池監(jiān)控不需要快速響應(yīng)，而高速測試傳感器則需要快速響應(yīng)。

磁隔離：起點(diǎn)

基于磁性的隔離使用變壓器，是最古老的技術(shù);多年來，這是唯一的技術(shù)。隔離變壓器通常具有1：1的匝數(shù)比，并且可能相當(dāng)小，因?yàn)樗幚淼氖切盘柖皇请娫?，并且功耗非常低?/p>

由于變壓器不能通過直流，也不能很好地處理非常低的頻率（除非它有一個(gè)大磁芯），因此要隔離的信號不能直接施加到初級（輸入）側(cè)。相反，如果需要，傳感器信號被放大，然后用于以更高的頻率調(diào)制載波（幅度調(diào)制），或用于脈寬調(diào)制（PWM）。

在輸出（次級）側(cè)，使用常規(guī)技術(shù)對信號進(jìn)行解調(diào)，以提取和恢復(fù)原始信號。必須向初級側(cè)提供隔離電源，因此通常有一個(gè)單獨(dú)的專用隔離側(cè)電源，而輸出側(cè)使用系統(tǒng)電源軌。

早期的嵌入式隔離式運(yùn)算放大器是ADI公司的AD215（圖2）。其功能類似于非隔離運(yùn)算放大器，但提供1500 V （rms）隔離和120 kHz帶寬。它包含一個(gè)信號調(diào)制器、變壓器和信號解調(diào)器，以及一個(gè)隔離式直流電源。所有這些都需要提供電流隔離，同時(shí)允許模擬信號從輸入側(cè)傳遞到輸出側(cè)。

圖 2：AD215 磁隔離器內(nèi)有一個(gè)信號調(diào)制器、變壓器和信號解調(diào)器，以及一個(gè)隔離式直流電源。（圖片來源：ADI公司）

該器件具有 ±10 V 輸入/輸出范圍，額定增益范圍為 1 V/V 至 10 V/V，前端包括一個(gè)內(nèi)部隔離式 DC/DC 電源，因此無需單獨(dú)電源。

雖然AD215主要用于開關(guān)電源的反饋環(huán)路，但也可用于電壓監(jiān)控器、電機(jī)電流檢測和大型電池系統(tǒng)，所有這些系統(tǒng)都在其400 kHz帶寬內(nèi)（圖3）。

圖3：雖然AD215主要用于開關(guān)電源的反饋回路，但也可用于電壓監(jiān)測器、電機(jī)電流傳感和大型電池系統(tǒng)。這里所示的AD210是AD215的功能相同的版本，但具有寬松的規(guī)格；AD620是一種精密儀器放大器。

在這種應(yīng)用中，當(dāng)測量電機(jī)感測電阻器兩端的電壓以確定通過電機(jī)的電流時(shí)，通常需要模擬隔離。這是必要的，因?yàn)楦袦y電阻器不是以地為基準(zhǔn)，而是“浮動(dòng)”的，并且可能相對于地處于非常高的電勢。

這些早期的基于磁的隔離裝置使用分立變壓器，因此相對較大且昂貴。較新的設(shè)計(jì)使用與IC封裝兼容的平面共面變壓器的專有版本。例如，Analog Devices的ADuM3190隔離誤差放大器封裝在16引腳QSOP封裝中，但提供2.5 kV隔離額定值。其平面變壓器彼此平行放置，以實(shí)現(xiàn)最大能量傳輸（圖4）.

圖4：ADuM3190隔離誤差放大器的外觀和處理方式與IC相似，但包含硅管芯和一對平面變壓器，它們彼此平行放置，以實(shí)現(xiàn)最大的能量傳輸。（圖片來源：Analog Devices）

雖然它看起來像一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)算放大器，但實(shí)際上它接收輸入信號并使用它生成通過平面變壓器的PWM信號。該P(yáng)WM信號在次級側(cè)被解調(diào)和濾波以產(chǎn)生模擬輸出信號。數(shù)據(jù)表包括相位和增益裕度的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器波特圖（圖5）。使用該設(shè)備（或類似設(shè)備）的設(shè)計(jì)者可以期望通過標(biāo)準(zhǔn)放大器環(huán)路穩(wěn)定性和相關(guān)建模和仿真。博德的陰謀會(huì)有所幫助

圖 5：盡管 ADuM3190 具有復(fù)雜的隔離式內(nèi)部架構(gòu)，但在設(shè)計(jì)人員看來，它是一款傳統(tǒng)運(yùn)算放大器（圖片來源：ADI公司）

ADuM3190的額定工作溫度范圍為?40°C至+125°C，這在某些目標(biāo)應(yīng)用中是現(xiàn)實(shí)的。請注意，由于隔離元件是剛繞導(dǎo)線，因此沒有傳統(tǒng)意義上的“磨損”機(jī)制，除非設(shè)備超出其規(guī)格。

然而，由于電壓應(yīng)力，所有絕緣材料最終都會(huì)在足夠長的時(shí)間內(nèi)分解，退化速率與施加在電壓勢壘上的電壓波形的大小和類型成函數(shù)。對于ADuM3190，即使在最大額定雙極流波形下，供應(yīng)商也能保證50年的使用壽命，這比相同幅度的單極流或直流壓力更大。

光隔離：較新的選擇

磁隔離的替代方法是光隔離，其概念很簡單：輸入側(cè)驅(qū)動(dòng)LED，LED的輸出撞擊共封裝的光電晶體管，輸出是光電晶體管電流（圖6）。封裝內(nèi)LED和光電晶體管之間的短光路提供了所需的電流隔離。

圖 6：光隔離器需要兩個(gè)有源元件：一個(gè)用于源出 IR 的 LED，以及一個(gè)用于將接收到的光子轉(zhuǎn)換為電流的光電晶體管。電流隔離由封裝內(nèi)的光路提供。（圖片來源：Sunpower UK）

與基于變壓器的隔離一樣，輸入信號用于使用PWM或其他方法在數(shù)字模式下調(diào)制LED電流。Broadcom （Avago） ACPL-C87B/C87A/C870系列光隔離放大器是可用于電流檢測電阻兩端電壓檢測的器件的一個(gè)很好的例子（圖 7）。

圖 7：Broadcom ACPL-C87B/C87A/C870 系列中的光隔離器針對較低電平電壓，并使用 Σ-Δ 調(diào)制和斬波穩(wěn)定放大器來實(shí)現(xiàn)精度、準(zhǔn)確度和一致性。（圖片來源：博通）

該系列隔離器具有2 V輸入范圍和1 GΩ高輸入阻抗。這些規(guī)格使其非常適合功率轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中的隔離式電壓檢測要求，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)和可再生能源系統(tǒng)。這些器件將光耦合技術(shù)與Σ-Δ調(diào)制、斬波穩(wěn)定放大器和差分輸出相結(jié)合，可提供高隔離模式噪聲抑制、低失調(diào)、高增益精度和穩(wěn)定性。它們都封裝在拉伸的 SO-8 （SSO-8） 封裝中。

這些器件具有 100 kHz 帶寬（圖 8）和高共模瞬態(tài)抗擾度 （15 kV/μs），非常適合電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。這種瞬變在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中很常見。

圖 8：Broadcom ACPL-C87B/C87A/C870 系列光隔離放大器采用其內(nèi)部 Σ-Δ 模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，可輕松實(shí)現(xiàn) 100 kHz 帶寬，平坦響應(yīng)高達(dá) 100 kHz。（圖片來源：博通）

電容隔離：最新選項(xiàng)

另一種隔離技術(shù)使用電容和電容器“板”之間的微小間隔進(jìn)行隔離。近年來，由于IC和封裝技術(shù)的進(jìn)步，該技術(shù)已變得可行且具有成本效益。一個(gè)很好的實(shí)施示例是德州儀器。這是一款精密隔離放大器，其輸入和輸出部分通過內(nèi)置于 SOIC-1（或 SOIC-16）表面貼裝塑料封裝中的匹配 18 皮法 （pF） 電容器進(jìn)行電氣隔離。

與其他模擬隔離放大器一樣，其高級功能圖很簡單（圖 9）。

圖 9：模擬隔離放大器的一個(gè)常用符號是這種“分離式”運(yùn)算放大器，用于 ISO124 數(shù)據(jù)手冊;這清楚地表明輸入和輸出部分有自己獨(dú)立的“理由”（盡管“通用”是一個(gè)更正確的名稱）。（圖片來源：德州儀器 )

同時(shí)，詳細(xì)的框圖揭示了內(nèi)部內(nèi)容的復(fù)雜性，用戶不可見（圖 10）。

圖 10：與磁隔離器件和光隔離器件一樣，ISO124 中存在大量模擬和數(shù)字電路，使其獨(dú)特的基于電容的隔離能夠正常工作。（圖片來源：德州儀器）

ISO124輸入經(jīng)過占空比調(diào)制，并通過柵以數(shù)字方式傳輸。輸出部分接收調(diào)制信號，將其轉(zhuǎn)換回模擬電壓，并消除解調(diào)中固有的紋波分量。它具有 0.010% 的最大非線性度、50 kHz 信號帶寬和 200 μV （μV）/°C V操作系統(tǒng)漂移，需要 ±4.5 V 至 ±18 V 的單電源。

與非隔離式運(yùn)算放大器一樣，數(shù)據(jù)手冊既有表格數(shù)據(jù)，也有各種條件下正弦波和階躍響應(yīng)性能的圖形信息（圖 11）。這些隔離器件的潛在用戶需要研究數(shù)據(jù)和圖表，以確保器件性能與應(yīng)用需求相稱。

圖11：由于ISO124模擬設(shè)備的運(yùn)算放大器性質(zhì)，設(shè)計(jì)者需要密切關(guān)注許多圖表，包括標(biāo)準(zhǔn)正弦和階躍響應(yīng)圖。（圖片來源：德州儀器）

ISO124非常適合低速應(yīng)用，例如將信號與電阻溫度檢測器（RTD）和接收器端4-20 mA電流回路上的熱電偶溫度傳感器隔離，并將其轉(zhuǎn)換為電壓（圖12）。

圖12:ISO124用于隔離通過標(biāo)準(zhǔn)4-20 mA電流回路連接的RTD，并將該電流信號轉(zhuǎn)換為0-5 V信號，以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)兼容性。（圖片來源：德州儀器）

溫度測量應(yīng)用通常要求傳感器與系統(tǒng)電路的其余部分隔離，這是由于傳感器直接固定在其上的潛在高電壓點(diǎn)，例如電機(jī)外殼。該電壓隨后被系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）用于讀出或閉環(huán)控制，這兩種情況都是常見的工業(yè)情況。

做出決定

所有三種模擬隔離技術(shù) - 磁性、光學(xué)和電容式 - 都可以在適當(dāng)?shù)臈l件下提供出色的結(jié)果。然后，設(shè)計(jì)師的困境變成了如何在給定的情況下決定“最佳”的。

要考慮的因素包括帶寬、預(yù)期壽命（故障或磨損時(shí)間）、尺寸和功率要求。每種隔離技術(shù)都平衡了這些屬性，并可能在一個(gè)系列中提供具有不同權(quán)衡的特定產(chǎn)品，從而使決策復(fù)雜化。

關(guān)于電壓隔離量，所有三種類型都經(jīng)過認(rèn)證至少 1 kV（有些達(dá)到 5 kV 甚至更高），并符合相關(guān)監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)（IEEE、VDE、CIE、UL、CSA）。因此，對于大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說，最大隔離電壓不是問題。如果這成為一個(gè)問題，可以使用經(jīng)過更高電壓認(rèn)證的專用隔離器。

對于每種隔離技術(shù)，可以做出一些一般性的陳述，但每種陳述都有例外，每種技術(shù)的供應(yīng)商都會(huì)就為什么他們的方法更好提出有效和合法的論據(jù)。通常：

磁隔離具有非常長的使用壽命，其無源屏障可以承受遠(yuǎn)大于連續(xù)電壓額定值的浪涌和尖峰。然而，由于其通過磁場的電感耦合，它容易受到外部磁場的干擾。一些較新的設(shè)計(jì)成功地將這個(gè)問題最小化到這樣的程度，以至于使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測試對單元進(jìn)行了這種干擾敏感性的認(rèn)證。

光隔離對電噪聲和磁噪聲具有很高的抗擾度，但由于 LED 開關(guān)速度、更高的功耗以及對 LED 磨損的擔(dān)憂，速度適中。最后一個(gè)問題是最嚴(yán)重的問題，因?yàn)長ED在正常使用中確實(shí)會(huì)經(jīng)歷退化（調(diào)光），典型的半亮度周期約為十年。然而，像Broadcom/Avago這樣的公司已經(jīng)推動(dòng)了LED材料的最新技術(shù)，因此保證在二十年內(nèi)滿足規(guī)格，這通常足以滿足這種情況。

電容隔離對磁噪聲具有很高的抗擾度，與光隔離相比，它可以支持更寬的帶寬，因?yàn)椴恍枰袚QLED。實(shí)際上， 大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用都是低帶寬情況.電容耦合還涉及使用電場進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此容易受到外部電場的干擾。

模擬與數(shù)字隔離

到目前為止，我們已經(jīng)研究了物聯(lián)網(wǎng)傳感器的模擬隔離技術(shù)（圖 13）。

圖 13：在模擬隔離拓?fù)渲校瑐鞲衅餍盘柋３譃槟M信息（無論隔離器本身內(nèi)部發(fā)生什么），直到到達(dá)非隔離側(cè)，在那里可以轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式以供進(jìn)一步使用。（圖片來源：美國國家儀器公司）

然而，有一種基本的架構(gòu)替代方案：數(shù)字隔離，其中模擬傳感器的輸出在隔離側(cè)進(jìn)行調(diào)理和數(shù)字化，然后數(shù)字輸出通過數(shù)字隔離柵（圖 14**）。**

圖 14：另一種通常很有吸引力的方法是將隔離側(cè)的信號數(shù)字化，然后將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過數(shù)字隔離柵。與模擬隔離設(shè)計(jì)相比，這允許非常不同的隔離功能實(shí)現(xiàn)。（圖片來源：美國國家儀器公司）

與模擬隔離一樣，該屏障可以使用這三種技術(shù)中的任何一種，但其內(nèi)部設(shè)計(jì)專門針對數(shù)字信號進(jìn)行了優(yōu)化，通?？梢灾С?jǐn)?shù)十Mbps的數(shù)據(jù)。此外，對于數(shù)字隔離，還有一個(gè)新的第四類選項(xiàng)，它使用調(diào)制RF載波代替調(diào)制（LED）光。Silicon Labs的Si863x系列就是這種器件的一個(gè)很好的例子（圖 15）。

圖 15：Silicon Labs 的 Si863x 系列數(shù)字隔離器使用調(diào)制射頻載波而不是光來傳輸信號，同時(shí)提供隔離。（圖片來源：硅實(shí)驗(yàn)室）

隨著ADC成本的下降，供應(yīng)商已經(jīng)圍繞諸如I^2^C和LVDS，使用數(shù)字隔離變得更具吸引力。缺點(diǎn)是在隔離側(cè)需要更多的電路。這意味著需要更多的隔離電源，從而增加了成本和占用空間。

然而，低功耗高性能ADC的進(jìn)步再次使這個(gè)問題變得不那么成問題。標(biāo)準(zhǔn)接口數(shù)字隔離器，例如用于I的1 MHz ADUM1250^2^ADI公司用于LVDS的C和600 Mbit/s的ADN4651簡化了這一設(shè)計(jì)備選方案。多芯片IC封裝中也有集成隔離的ADC，例如16位ADI公司的AD7401A，它使整個(gè)轉(zhuǎn)換和隔離過程對用戶透明。

最后，還有多通道隔離的問題。雖然許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用只有一個(gè)或兩個(gè)需要隔離的傳感器，但其他應(yīng)用可能有四個(gè)、八個(gè)或更多。在這些情況下，單個(gè)模擬隔離器總體上可能太大、成本太高且耗電，

另一種方法是使用多通道ADC或帶有前端多路復(fù)用器的單通道器件，全部位于隔離側(cè)，具有更高速的數(shù)字隔離來傳輸結(jié)果。這可能比簡單的每通道隔離更具功耗、空間和經(jīng)濟(jì)高效性。

結(jié)論

模擬傳感器隔離是許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中信號完整性、系統(tǒng)安全和用戶保護(hù)的關(guān)鍵問題。三種可行的競爭技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)隔離，每種技術(shù)在性能上都有許多相似之處，但有一些細(xì)微的差異。數(shù)字隔離，在隔離側(cè)進(jìn)行傳感器數(shù)字化，也是許多應(yīng)用中需要考慮的一種選擇。

審核編輯 黃宇