數(shù)字隔離技術(shù)在能量??收集設(shè)計(jì)應(yīng)用中的作用

隔離在能量收集系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，不僅可以為人類操作員提供高壓保護(hù)，還可以提供對(duì)這些系統(tǒng)內(nèi)敏感電子電路的高壓保護(hù)。確保設(shè)計(jì)中的適當(dāng)隔離需要將應(yīng)用特性與隔離技術(shù)相匹配。對(duì)于工程師而言，由于ADI公司，Avago Technologies，英飛凌科技，Maxim Integrated，NVE，Silicon Labs，德州儀器和東芝半導(dǎo)體等供應(yīng)商提供的一系列隔離組件，構(gòu)建一個(gè)完全隔離的系統(tǒng)變得更加簡(jiǎn)單。

在太陽(yáng)能收集或電池組管理等高壓應(yīng)用中，電流隔離對(duì)于保護(hù)用戶和系統(tǒng)免受危險(xiǎn)電壓等級(jí)的影響至關(guān)重要。隔離在低壓應(yīng)用中同樣重要，例如環(huán)境供電的無(wú)線傳感器，其中噪聲，瞬態(tài)信號(hào)，共模電壓和其他因素會(huì)降低測(cè)量精度甚至損壞敏感元件。

在任何應(yīng)用中，隔離器件允許系統(tǒng)在不同電壓域之間傳遞信號(hào)，同時(shí)防止電流在它們之間傳遞。例如，隔離器用于整個(gè)電動(dòng)車輛，在數(shù)字組件使用的低壓系統(tǒng)和用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高壓系統(tǒng)，為主電池充電和供電系統(tǒng)電源之間提供屏障（圖1）。

圖1：隔離在分離不同電壓域同時(shí)允許信號(hào)在它們之間自由通過方面起著關(guān)鍵作用。例如，電動(dòng)車輛依靠放置在整個(gè)系統(tǒng)中的隔離器來(lái)將高壓驅(qū)動(dòng)總線與低壓信號(hào)總線分開。 （Avago Technologies提供）

雖然模擬和數(shù)字域都可以進(jìn)行隔離，但數(shù)字隔離器的使用可以在設(shè)計(jì)選擇和電路優(yōu)化方面提供更大的靈活性。例如，在傳感器信號(hào)鏈中，數(shù)字隔離的使用允許設(shè)計(jì)人員縮短傳感器和ADC之間的信號(hào)鏈，以增強(qiáng)鏈本身的模擬性能。此外，這種方法避免了在信號(hào)到達(dá)ADC之前模擬隔離元件在增益，非線性和偏移中引入誤差時(shí)可能出現(xiàn)的精度問題。

數(shù)字隔離技術(shù)

數(shù)字隔離器通常依靠光學(xué)，電容或磁耦合技術(shù)在不同電壓域之間傳輸比特流?？紤]到它們?cè)?a target="_blank">產(chǎn)品安全中的關(guān)鍵作用，基本性能參數(shù)受到國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格監(jiān)管。光隔離器已經(jīng)使用了一段時(shí)間，并受IEC 60747和UL 1577標(biāo)準(zhǔn)的約束。其他標(biāo)準(zhǔn)（如VDE 0884-10和IEC 60747-5-5）規(guī)定了與電容和磁技術(shù)相關(guān)的其他性能特性。因此，使用這些不同技術(shù)的制造商提供具有類似性能特征的組件，例如工作電壓，隔離電壓和共模瞬變抗擾度（CMTI）。相比之下，這些技術(shù)可以在功率要求，數(shù)據(jù)傳輸速率以及電場(chǎng)或磁場(chǎng)抗擾度方面提供顯著差異。

光電隔離器至少包括LED和光電探測(cè)器，通常由氣隙隔開，提供物理隔離屏障。 LED將信號(hào)作為穿過該屏障的光強(qiáng)度的變化傳輸?shù)焦怆娞綔y(cè)器，光電探測(cè)器將透射光轉(zhuǎn)換回原始信號(hào)。制造商在此基本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增加了電路，以提高性能和可靠性。例如，Avago Technologies HCPL-7723光隔離器將LED和光電探測(cè)器與高速互阻抗放大器和帶輸出驅(qū)動(dòng)器的電壓比較器（圖2a）相結(jié)合，而Avago ACSL-6210則提供雙向通道（圖2b）。

圖2：可用的光隔離器用放大器和比較器（A）或雙向通道（B）擴(kuò)展基本的LED光電探測(cè)器電路。 （Avago Technologies提供）

最常用的隔離方法之一是光隔離，可以抵抗電磁噪聲。因此，這種方法在工業(yè)和汽車應(yīng)用中特別有效，在這些應(yīng)用中可能存在強(qiáng)電場(chǎng)或磁場(chǎng)。

另一方面，LED功耗特性可轉(zhuǎn)化為更高的功率要求。此外，繼續(xù)使用可導(dǎo)致LED磨損并且在使用多年后可能發(fā)生故障。因此，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)尋求其他隔離技術(shù)，用于通常指定20年耐久性的太陽(yáng)能收集系統(tǒng)。最后，LED的使用及其受限的開關(guān)速度轉(zhuǎn)換為比其他隔離技術(shù)更低的傳輸速度。然而，設(shè)計(jì)人員可以找到高速光隔離器，如剛剛提到的Avago HCPL-7723和東芝半導(dǎo)體TLP117。這兩款器件均提供50 MBd傳輸速率，22 ns（最大）傳播延遲，3750 Vrms隔離電壓和10 kV/μsCMTI。

電磁耦合

對(duì)于長(zhǎng)壽命應(yīng)用或需要最高日期速率的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向基于電容或磁隔離的器件。兩種類型的設(shè)備都可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)150 Mbps的傳輸速率，并具有相應(yīng)的短傳播延遲。例如，Maxim Integrated MAX14934，Silicon Labs SI8422和Texas Instruments ISO7641隔離器等基于電容的隔離器可實(shí)現(xiàn)150 Mbps的數(shù)據(jù)速率，傳播延遲分別為7.5 ns，11 ns和10.5 ns。

電容隔離器依賴于由兩個(gè)電容器形成的隔離屏障，每個(gè)電容器在二氧化硅電介質(zhì)的每一側(cè)都具有銅頂板和導(dǎo)電硅底板（圖3）。隔離器的輸入側(cè)通過鍵合線連接到隔離電容器的頂板，而輸出側(cè)連接到底板。輸入信號(hào)導(dǎo)致電容器兩端的電場(chǎng)變化，導(dǎo)致輸出側(cè)檢測(cè)到的電荷成比例變化，從而相應(yīng)地重建原始信號(hào)。

圖3：電容隔離器將電信號(hào)的電場(chǎng)變化傳遞到由電介質(zhì)隔離柵隔開的電容器極板上。 （德州儀器公司提供）

出于所有實(shí)際目的，電容隔離器不受磁場(chǎng)影響。另一方面，它們使用電場(chǎng)進(jìn)行信號(hào)傳輸意味著它們易受外部電場(chǎng)的影響 - 例如，可能引起在高壓線路附近工作的應(yīng)用的擔(dān)憂。然而，制造商在這些器件中使用緊密間隔的差分輸入到電容器極板，以顯著減輕外部電場(chǎng)的影響。為了進(jìn)一步增強(qiáng)電磁抗擾性，Silicon Labs ISOpro系列中的SI8422等器件使用RF發(fā)送器和接收器將信號(hào)傳遞到電容隔離柵。接收器包含一個(gè)解調(diào)器，根據(jù)其RF能量?jī)?nèi)容對(duì)輸入狀態(tài)進(jìn)行解碼，以在器件的輸出引腳上重建輸入信號(hào)。

相反，磁耦合隔離器，如ADI公司iCoupler系列中的器件和英飛凌科技ISOFACE系列產(chǎn)品可有效抵抗電場(chǎng)。當(dāng)然，通過使用磁場(chǎng)進(jìn)行信號(hào)傳輸，這些類型的隔離器易受外部磁場(chǎng)的干擾。與電容隔離器一樣，電感耦合器件是分層結(jié)構(gòu)。在電容隔離器使用由電介質(zhì)隔開的一對(duì)電容器板的情況下，電感耦合器件使用一對(duì)線圈隔開一層絕緣層，以在器件的輸入和輸出引腳之間形成隔離屏障。輸入信號(hào)導(dǎo)致流過輸入側(cè)線圈的電流變化，從而在隔離屏障的輸出側(cè)上的線圈中引起比例電流。器件的輸出級(jí)檢測(cè)輸出側(cè)線圈中的電流變化并重建原始信號(hào)。

巨磁電阻（GMR）隔離器同樣基于磁耦合，但依賴于薄膜材料的非常大或“巨大”的電阻變化，并在絕緣屏障上施加磁場(chǎng)。器件輸出側(cè)GMR電阻器結(jié)構(gòu)的電阻變化非常大，從而產(chǎn)生大輸出信號(hào)，可提供更高的靈敏度和精度。 GMR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了非?？斓那袚Q速度，允許諸如Avago Technologies HCPL-090J和NVE IL712等NVE Sloop系列設(shè)備的設(shè)備分別實(shí)現(xiàn)100 MBd和150 Mbps的數(shù)據(jù)速率以及15 ns和10 ns的傳播延遲。此外，GMR隔離器中使用的材料的穩(wěn)定性使產(chǎn)品壽命更長(zhǎng)。例如，NVE引用了其Sloop系列設(shè)備44,000年的屏障壽命。

結(jié)論

電流隔離對(duì)于高壓應(yīng)用中的安全性和低壓應(yīng)用中的可靠性至關(guān)重要。對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，數(shù)字隔離器IC提供了一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)確保任何電路的正確隔離。為了滿足傳輸速度，電磁抗擾度和其他工作特性的特定要求，工程師可以找到基于光學(xué)，電容或磁耦合技術(shù)的各種合適的數(shù)字隔離器IC。