磁隔離技術(shù)在高頻直流/直流電源轉(zhuǎn)換的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）在一個(gè)高壓電源系統(tǒng)里，我們首先考量的肯定是安全性。不管是汽車應(yīng)用里通過(guò)隔離來(lái)實(shí)現(xiàn)敏感電子元器件與快速瞬變高壓組件之間的安全通信的需求愈發(fā)明顯，還是工業(yè)系統(tǒng)中對(duì)高壓浪涌、大接地電位差、高側(cè)組件通信以及共模瞬態(tài)數(shù)據(jù)的保護(hù)愈發(fā)迫切，器件隔離的引入才能實(shí)現(xiàn)安全可靠的運(yùn)行。

為何引入隔離？

當(dāng)兩個(gè)設(shè)備或電路通信時(shí)，直流電流和交流信號(hào)通常自由流動(dòng)。在低壓系統(tǒng)中，這種工作方式是安全的。但當(dāng)高電壓進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，高電壓的存在會(huì)引入顯著的電位差，自由流動(dòng)的直流電流和一些交流信號(hào)就不再是安全的了。電隔離分隔電氣系統(tǒng)，從而防止這些部分產(chǎn)生直流電流和有害的交流電流的同時(shí)仍允許信號(hào)和電源傳輸。

電路之間引入隔離的大致有三個(gè)主要原因，其一當(dāng)然是滿足安全法規(guī)確保安全，防止電流從高壓電位元件通過(guò)人體流向接地，提高安全性。

第二個(gè)原因是為了解決接地電位差，也就是常說(shuō)的接地回路，這可能導(dǎo)致通信子系統(tǒng)之間的不準(zhǔn)確或中斷。接地電位從一個(gè)電路到另一個(gè)電路的變化會(huì)產(chǎn)生電壓差，當(dāng)電流流過(guò)接地回路時(shí)，如果出現(xiàn)顯著的電壓差會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信出現(xiàn)錯(cuò)誤。

第三個(gè)原因也和接地環(huán)路有關(guān)，隔離可以用來(lái)降低接地環(huán)路的噪聲，提高電路抗噪性。50/60Hz的環(huán)境噪聲會(huì)讓系統(tǒng)抓取不需要的電流信息，隔離可以斷開(kāi)接地環(huán)路保證信號(hào)的完整性。這些是外部的噪聲源，其實(shí)更大的噪聲源來(lái)自內(nèi)部，即系統(tǒng)內(nèi)的瞬態(tài)行為。設(shè)備切換工作模式發(fā)生瞬態(tài)時(shí)，信號(hào)路徑上就產(chǎn)生高轉(zhuǎn)換率的瞬態(tài)電壓。這一瞬態(tài)行為和隔離器件的CMTI直接掛鉤。

不同等級(jí)的高電壓隔離

想要在一個(gè)系統(tǒng)中構(gòu)建可靠的隔離，需要考慮的因素很多，隔離的額定值、CMTI、EMI、電氣間隙等等。按照分配給電氣系統(tǒng)的隔離級(jí)別，有功能隔離、基本隔離、輔助隔離、以及增強(qiáng)型隔離。

功能隔離只會(huì)給系統(tǒng)分配極少的隔離，以便系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，但功能隔離并不能防止電擊。這種等級(jí)的隔離僅僅滿足設(shè)備正常運(yùn)行所需的要求?；靖綦x具有與最高系統(tǒng)級(jí)電壓同等的安全等級(jí)，能夠在滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下提供足夠的電擊防護(hù)。

輔助隔離在基本隔離的基礎(chǔ)上，添加了額外的獨(dú)立隔離，主要是為了應(yīng)對(duì)基本隔離出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)不至于受到損壞。增強(qiáng)型隔離是應(yīng)用于高電壓系統(tǒng)的最高商用等級(jí)，能夠承受更高的電壓測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和更長(zhǎng)的額定壽命。

作為隔離應(yīng)用里最重要的指標(biāo)之一，CMTI體現(xiàn)了隔離器件在高速瞬變情況下可靠運(yùn)作的能力。高性能隔離器件CMTI額定值很容易達(dá)到100V/ns，在一些隔離器件的測(cè)試中CMTI超過(guò) 200V/ns的也不少。這和寬帶隙半導(dǎo)體的普及有很大關(guān)系，寬帶隙半導(dǎo)體的普及使得隔離器件能夠達(dá)到更高瞬變電壓（dV/dt）的邊沿速率。

常見(jiàn)的隔離辦法

對(duì)于電路隔離，分為模擬和數(shù)字隔離。模擬隔離在ADC輸入端前面提供隔離模擬信號(hào)，然后ADC輸入將信號(hào)數(shù)字化，隔離放大器或隔離ADC常用于隔離模擬信號(hào)。通過(guò)隔離的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，模擬隔離可以避免放大器增益誤差，調(diào)制器直接采樣模擬輸入信號(hào)，這種隔離可以實(shí)現(xiàn)高分辨率隔離輸入。數(shù)字隔離是隔離數(shù)字輸入信號(hào)的方法。數(shù)字隔離在電氣隔離器狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)傳遞，提供電流隔離數(shù)字信號(hào)路徑。

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兩種隔離里常用的隔離半導(dǎo)體技術(shù)是光耦、容耦和磁耦。每種技術(shù)使用具有不同介電強(qiáng)度的不同絕緣體材料。就光耦使用的絕緣材料來(lái)說(shuō)，電介質(zhì)強(qiáng)度都偏低，想要實(shí)現(xiàn)高級(jí)別的隔離要通過(guò)更多的物理分割?；诠怦畹母綦x，Broadcom作為行業(yè)龍頭共模瞬變抗擾度行業(yè)指標(biāo)在50 kV/μs，這已經(jīng)屬于光耦技術(shù)下很高的CMTI。光耦總是要在CMTI和拓展性上做出取舍。雖然光耦可以做到很高的數(shù)據(jù)速率，但這會(huì)在寄生電容上有所犧牲，功耗會(huì)升高，而且會(huì)大大降低光耦的CMTI。不過(guò)厚絕緣層的耐壓優(yōu)勢(shì)讓光耦的使用場(chǎng)景也很穩(wěn)定。

由于電容天生就能阻斷直流信號(hào)，因此電容隔離技術(shù)基于穿過(guò)電介質(zhì)的交流信號(hào)傳輸可以使用更高階調(diào)制等方案。作為三種技術(shù)中內(nèi)部絕緣厚度最小的技術(shù)，基于二氧化硅的容耦比基于聚酰亞胺的磁耦厚度小了接近10μm。容耦采用片上電容原理實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離傳輸，壽命長(zhǎng)、功耗低、傳輸速率高。唯一的不足在于，在高壓系統(tǒng)里，絕緣厚度是有限制意味著容耦的浪涌保護(hù)能力會(huì)比較有限。不過(guò)也有多層電容和多層鈍化方法來(lái)提高容耦在高壓浪涌上的可靠性。

磁隔離技術(shù)在需要高頻直流/直流電源轉(zhuǎn)換的應(yīng)用中是最具有優(yōu)勢(shì)的，可以在大多數(shù)應(yīng)用中傳輸超過(guò)數(shù)百毫瓦的功率，無(wú)需次級(jí)側(cè)偏置電源，還能發(fā)送高頻信號(hào)。改善傳輸延遲和延遲偏差這是其他隔離技術(shù)沒(méi)辦法實(shí)現(xiàn)的。

小結(jié)

在工業(yè)和汽車這種高壓系統(tǒng)多的應(yīng)用中，高等級(jí)的隔離能保護(hù)低電壓電路免受高電壓故障影響，中斷接地回路來(lái)保持信號(hào)完整性，從而實(shí)現(xiàn)不同電壓域之間的通信。隨著高壓系統(tǒng)電源管理的集成度越來(lái)越高，需要實(shí)現(xiàn)的隔離、保護(hù)功能也越來(lái)越多，不同技術(shù)的隔離器件在更小的IC封裝尺寸、更高的集成度、更低EMI以及更高效率的需求之間需要做出權(quán)衡取舍?！　?/p>