用于電路保護(hù)的模擬隔離技術(shù)

電路保護(hù)是電路設(shè)計(jì)的一個(gè)領(lǐng)域，可以制造或破壞產(chǎn)品。雖然仿真電路的行為符合預(yù)期，但現(xiàn)實(shí)生活遠(yuǎn)非理想。在本文中，我們將探討模擬隔離、為什么可能需要它，以及如何在下一個(gè)設(shè)計(jì)中最好地實(shí)現(xiàn)它。

模擬隔離并非易事，設(shè)計(jì)人員選擇如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)完全取決于他們。購(gòu)買(mǎi)的解決方案易于實(shí)施，但根據(jù)所使用的解決方案，可能會(huì)很昂貴，而自定義解決方案可能非常耗時(shí)且復(fù)雜得多。

大多數(shù)應(yīng)用只需要保護(hù)，而不是隔離，因此設(shè)計(jì)人員必須認(rèn)識(shí)到隔離何時(shí)是絕對(duì)必要的。

ESD保護(hù)電路：模擬隔離器
電路保護(hù)是保護(hù)電路免受靜電放電（ESD）和干擾等破壞性事件的機(jī)制。實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)可以使用多種方法完成，包括限流電阻、齊納二極管和保險(xiǎn)絲。但是，某些應(yīng)用可能會(huì)處理可能需要電氣隔離的高度敏感的應(yīng)用。一個(gè)常見(jiàn)的例子是心電圖。

心電圖的獨(dú)特之處在于它使用連接到患者的導(dǎo)電墊來(lái)測(cè)量心臟跳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電脈沖。與光學(xué)心率方法不同，心電圖可以提供更多信息，包括異常的心臟模式和微弱的心跳。但是，在電涌等事件中，將導(dǎo)電電極連接到患者的胸部可能是致命的，電涌會(huì)穿過(guò)患者，從而導(dǎo)致心臟驟停。對(duì)于此類情況，電路需要隔離，其中連接到患者的電極與電源供電的心電圖電氣隔離。結(jié)果是，由于電極是電隔離的（即沒(méi)有直接的電氣連接），因此心電圖的任何電涌體驗(yàn)都無(wú)法傳遞到電極。

在數(shù)字世界中，使用光隔離器等設(shè)備很容易實(shí)現(xiàn)這種類型的隔離，但模擬世界可能會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。數(shù)字世界僅由易于非電傳輸?shù)?和0組成（存在/不存在光），模擬信號(hào)具有無(wú)限范圍，其值需要保留。
那么，如何隔離模擬信號(hào)，以及所有眾多隔離解決方案通常有哪些優(yōu)點(diǎn)/缺點(diǎn)？

隔離變壓器
可以提供某種形式的模擬隔離的一種方法是變壓器。通過(guò)鐵芯磁耦合的兩個(gè)線圈可以通過(guò)磁場(chǎng)相互傳遞能量。雖然這兩個(gè)線圈彼此電氣隔離，但這種類型的隔離有其問(wèn)題。首先，雖然兩者是電隔離的，但浪涌能量可以通過(guò)變壓器傳輸。由于變壓器通常具有較大的電感，因此它們將能夠抵抗突然的能量尖峰（例如靜電放電或ESD引起的能量尖峰），但電源浪涌可能更難抵抗（因?yàn)樗鼈冊(cè)诘皖l域中）。

變壓器的另一個(gè)問(wèn)題是它們?cè)诮涣黝I(lǐng)域工作，并且由于能量傳輸僅在磁場(chǎng)強(qiáng)度變化時(shí)發(fā)生，因此無(wú)法使用此方法隔離直流模擬電壓。更重要的是，變壓器通常設(shè)計(jì)為在特定頻率下工作。這使得它們對(duì)于未知頻率信號(hào)的模擬測(cè)量幾乎不切實(shí)際。

切換到數(shù)字信號(hào)
如前所述，數(shù)字信號(hào)非常容易隔離，模擬信號(hào)可以利用此解決方案進(jìn)行隔離。模擬信號(hào)首先轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，其中PWM的占空比表示模擬值。然后使用光隔離器隔離該P(yáng)WM信號(hào)，然后使用RC電路將光隔離器的輸出轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)。這種方法提供電涌和ESD保護(hù)，并保留直流值，因此使其成為變壓器更理想的選擇。但是，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)可能會(huì)有問(wèn)題，具體取決于如何實(shí)現(xiàn)。如果使用所有模擬電路（與模擬信號(hào)相比為三角波）轉(zhuǎn)換信號(hào)，則保留無(wú)限范圍的可能值。但是，如果使用計(jì)數(shù)器（或任何計(jì)算設(shè)備）生成PWM，則模擬信號(hào)將被量化。這種量化意味著產(chǎn)生的隔離模擬信號(hào)不會(huì)與原始信號(hào)真實(shí)，輸出模擬值將具有具有有限分辨率和不確定性水平。這種方法的另一個(gè)主要缺點(diǎn)是用于轉(zhuǎn)換原始模擬信號(hào)的電路不是隔離的，因此容易受到ESD和其他高能量源的損壞。

線性光隔離
線性光隔離是一種在其線性范圍內(nèi)使用光隔離器的技術(shù)。雖然光隔離器主要用于數(shù)字隔離，但它們由模擬部件構(gòu)成，包括LED（通常是IRLED）和光電晶體管。

如果在電流域（與電壓域相反）中使用光隔離器，則輸出晶體管與IRLED的輸入電流呈線性關(guān)系。但是，由于多種原因，這種方法非常成問(wèn)題。首先，也許是最重要的一點(diǎn)，是光隔離器的線性范圍非常窄（以至于它們本質(zhì)上是非線性的）。其次，模擬電壓需要轉(zhuǎn)換為電流（而不是電壓），這需要運(yùn)算放大器電路。第三，來(lái)自同一系列的光隔離器不會(huì)都具有相同的特性，因此可能表現(xiàn)不同，這使得它們對(duì)于生產(chǎn)產(chǎn)品不切實(shí)際（除非包括微調(diào)電路）。為了解決這個(gè)問(wèn)題，存在一種特殊范圍的光隔離器，其中包括兩個(gè)匹配的IRLED，可以在運(yùn)算放大器電路中一起使用，以便非線性反饋到放大器中，從而保持模擬值。雖然這種隔離方法提供了真正的隔離，但它是一種難以實(shí)現(xiàn)的方法。

隔離放大器
隔離放大器是采用上述方法之一進(jìn)行模擬隔離的集成電路，對(duì)于需要模擬隔離的工程師來(lái)說(shuō)，隔離放大器是最有可能的選擇。使用隔離放大器而不是定制隔離電路的原因包括制造商已經(jīng)設(shè)計(jì)了復(fù)雜的電路以產(chǎn)生線性關(guān)系（如果使用線性光隔離器方法），并且整個(gè)解決方案適合信號(hào)芯片。一些隔離放大器使用內(nèi)部變壓器進(jìn)行模擬隔離。這種隔離方法是通過(guò)使用電壓-頻率轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換為具有特定頻率的載波，將該載波通過(guò)內(nèi)部變壓器，然后使用頻率-電壓轉(zhuǎn)換器將載波重新轉(zhuǎn)換為記錄的模擬電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。

模擬隔離的機(jī)械方法
某些場(chǎng)景可能需要更具創(chuàng)造性和“外部”的解決方案。機(jī)械方法可用于模擬隔離，這在涉及非常高能量的場(chǎng)景中可能是理想的選擇。機(jī)械隔離的一個(gè)例子是電控電位器，其中電機(jī)（更具體地說(shuō)，伺服）控制電位器上的位置。根據(jù)讀取的模擬值，伺服旋轉(zhuǎn)電位計(jì)以調(diào)整其旋轉(zhuǎn)角度以對(duì)應(yīng)于模擬電壓（如果用作分壓器）。雖然這些方法非常慢，對(duì)于高頻模擬信號(hào)來(lái)說(shuō)并不理想，但它們可以（可以說(shuō)）提供最高水平的絕緣。然而，這些方法依賴于機(jī)械部件，這些部件會(huì)隨著時(shí)間的推移而磨損。

模擬隔離產(chǎn)品示例
雖然DIY解決方案可以為工程師提供解決手頭問(wèn)題的方法，但對(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，專注于整個(gè)設(shè)計(jì)通常更為重要。因此，工程師通常最好看看市場(chǎng)上已有的模擬隔離解決方案，因?yàn)檫@些產(chǎn)品將節(jié)省設(shè)計(jì)人員的時(shí)間和金錢(qián)。

AMC1301是一款隔離放大器，具有低失調(diào)誤差和漂移、8.2固定增益、低非線性度以及低側(cè)和高側(cè)3.3V工作電壓。它使用內(nèi)部ADC將讀取的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后將其隔離在柵上，然后使用DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。由于AMC1301采用數(shù)字方法，隔離放大器不受磁場(chǎng)影響，因此適用于可能存在強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境。

ADUM3190WSRQZ是一款隔離放大器，與AMC1301類似，它使用接收器/發(fā)射器對(duì)進(jìn)行隔離。但是，ADUM3190WSRQZ使用變壓器（很可能是電壓頻率法）作為隔離方法。該隔離放大器具有0.5%的初始精度，可隔離高達(dá)2.5kV的電壓，并提供寬溫度范圍。然而，使用內(nèi)部變壓器意味著該放大器容易受到強(qiáng)磁場(chǎng)的影響。

審核編輯黃宇