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(hào)的選擇也在增加，這也使得設(shè)計(jì)師對(duì)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(hào)傳輸和模數(shù)隔離器的三種方法，并對(duì)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(huì)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(cè)量。將傳感器與實(shí)際高電壓隔離，可以測(cè)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(zhǎng)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(hào)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(hào)，而模擬隔離器在隔離層傳輸連續(xù)信號(hào)。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(hào)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(hào)速率、數(shù)據(jù)運(yùn)行長(zhǎng)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(hào)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(huì)保留模擬隔離器，但市場(chǎng)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(hào)速率隔離標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)。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(hào)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(cè)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(chǎng)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(hào)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(hào)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(shì)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(chǎng)在隔離層上進(jìn)行通信。最常見的例子是變壓器，其磁場(chǎng)取決于一次繞組和二次繞組的線圈配置（每單位長(zhǎng)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(hào)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(hào)頻率重疊，但會(huì)表現(xiàn)出高噪聲共模阻抗和低信號(hào)差分阻抗。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)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(chǎng)的磁化（噪聲）。工業(yè)應(yīng)用通常需要磁場(chǎng)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(zhǎng)度。信號(hào)轉(zhuǎn)換器在一定的頻率和幅度范圍內(nèi)傳輸信號(hào)，其失真是可以接受的。為了使信號(hào)保持在可用的變壓器帶寬內(nèi)，需要數(shù)據(jù)運(yùn)行長(zhǎng)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(hào)（1或0個(gè)長(zhǎng)字符）的同時(shí)，需要信號(hào)處理來傳輸和重構(gòu)數(shù)字信號(hào)。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(jí)線圈，如圖7所示。電阻是由巨磁電阻（GMR）材料組成，它隨磁場(chǎng)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(chǎng)。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(chǎng)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(duì)磁場(chǎng)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(chǎng)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(hào)和噪聲，信號(hào)共享同一個(gè)傳輸通道，這與變壓器不同。這要求信號(hào)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(hào)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(hào)，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(chǎng)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(hào)速率和低信號(hào)速率信道進(jìn)行通信，如圖9所示。高信號(hào)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(zhǎng)1和0個(gè)字符）進(jìn)行精確通信。

單端邏輯信號(hào)的差分傳輸隔離層允許使用低電平信號(hào)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(hào)電容耦合需要解決的主要問題。

表4：可靠性測(cè)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(cè)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(jiǎn)單，因?yàn)闇y(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與隔離方法無關(guān)。圖10顯示了隔離測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試方法都是對(duì)絕緣質(zhì)量的測(cè)試。UL和CSA測(cè)試是使用制造商設(shè)定的時(shí)間來測(cè)試介質(zhì)擊穿電壓的壓力測(cè)試。電介質(zhì)擊穿是該試驗(yàn)失敗的一個(gè)征兆。IEC測(cè)試使用一種稱為局部放電的現(xiàn)象來檢測(cè)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(jí)Vm。在這種低電壓應(yīng)用中，被測(cè)設(shè)備被監(jiān)測(cè)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(huì)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?chǎng)。為了提供瞬態(tài)抗擾度，ISO72x系列電容隔離器僅傳輸fo信號(hào)（僅代表最高頻率能量的數(shù)據(jù)信號(hào)）。

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(hào)；其中兩個(gè)包含低信號(hào)率信息，另兩個(gè)包含高信號(hào)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(hào)和補(bǔ)償信號(hào)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(hào)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(huì)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(hào)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(duì)于數(shù)字隔離器，這種測(cè)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?？煽康摹?/p>

表4：可靠性測(cè)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(cè)試的結(jié)果。表5顯示了ISO721和ADUM1100可靠性測(cè)試參數(shù)。

表5：原始可靠性數(shù)據(jù)

• 3.9外部磁場(chǎng)抗擾度

圖12比較了ADUM1100和ISO72x的磁場(chǎng)抗擾度（未找到HCPL-0900的數(shù)據(jù)）。相對(duì)而言，雖然這兩個(gè)例子對(duì)磁場(chǎng)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(duì)外部磁場(chǎng)具有固有的磁化抗擾度。

圖12：對(duì)外部磁場(chǎng)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(hào)隔離的選擇，包括TI的ISO72x系列的關(guān)鍵功能。如信號(hào)速度、介質(zhì)擊穿電壓、瞬態(tài)沖擊電阻、功耗、磁場(chǎng)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(hào)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(cè)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(cè)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(zhǎng)。這種情況通常會(huì)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。