引入隔離技術應對高電壓系統(tǒng)

在一個高壓電源系統(tǒng)里，我們首先考量的肯定是安全性。不管是汽車應用里通過隔離來實現(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)的保護愈發(fā)迫切，器件隔離的引入才能實現(xiàn)安全可靠的運行。

為何引入隔離？

當兩個設備或電路通信時，直流電流和交流信號通常自由流動。在低壓系統(tǒng)中，這種工作方式是安全的。但當高電壓進入系統(tǒng)時，高電壓的存在會引入顯著的電位差，自由流動的直流電流和一些交流信號就不再是安全的了。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仍允許信號和電源傳輸。

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

第二個原因是為了解決接地電位差，也就是常說的接地回路，這可能導致通信子系統(tǒng)之間的不準確或中斷。接地電位從一個電路到另一個電路的變化會產(chǎn)生電壓差，當電流流過接地回路時，如果出現(xiàn)顯著的電壓差會導致數(shù)據(jù)通信出現(xiàn)錯誤。

第三個原因也和接地環(huán)路有關，隔離可以用來降低接地環(huán)路的噪聲，提高電路抗噪性。50/60Hz的環(huán)境噪聲會讓系統(tǒng)抓取不需要的電流信息，隔離可以斷開接地環(huán)路保證信號的完整性。這些是外部的噪聲源，其實更大的噪聲源來自內(nèi)部，即系統(tǒng)內(nèi)的瞬態(tài)行為。設備切換工作模式發(fā)生瞬態(tài)時，信號路徑上就產(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。

不同等級的高電壓隔離

想要在一個系統(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)的隔離級別，有功能隔離、基本隔離、輔助隔離、以及增強型隔離。

功能隔離只會給系統(tǒng)分配極少的隔離，以便系統(tǒng)能夠正常運行，但功能隔離并不能防止電擊。這種等級的隔離僅僅滿足設備正常運行所需的要求。基本隔離具有與最高系統(tǒng)級電壓同等的安全等級，能夠在滿足系統(tǒng)正常運行的情況下提供足夠的電擊防護。

輔助隔離在基本隔離的基礎上，添加了額外的獨立隔離，主要是為了應對基本隔離出現(xiàn)故障時系統(tǒng)不至于受到損壞。增強型隔離是應用于高電壓系統(tǒng)的最高商用等級，能夠承受更高的電壓測試標準和更長的額定壽命。

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

常見的隔離辦法

對于電路隔離，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，然后ADC輸入將信號數(shù)字化，隔離放大器或隔離ADC常用于隔離模擬信號。通過隔離的數(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，這種隔離可以實現(xiàn)高分辨率隔離輸入。數(shù)字隔離是隔離數(shù)字輸入信號的方法。數(shù)字隔離在電氣隔離器狀態(tài)下實現(xiàn)數(shù)字信號傳遞，提供電流隔離數(shù)字信號路徑。

兩種隔離里常用的隔離半導體技術是光耦、容耦和磁耦。每種技術使用具有不同介電強度的不同絕緣體材料。就光耦使用的絕緣材料來說，電介質(zhì)強度都偏低，想要實現(xiàn)高級別的隔離要通過更多的物理分割?；诠怦畹母綦x，Broadcom作為行業(yè)龍頭共模瞬變抗擾度行業(yè)指標在50 kV/μs，這已經(jīng)屬于光耦技術下很高的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，但這會在寄生電容上有所犧牲，功耗會升高，而且會大大降低光耦的CMTI。不過厚絕緣層的耐壓優(yōu)勢讓光耦的使用場景也很穩(wěn)定。

由于電容天生就能阻斷直流信號，因此電容隔離技術基于穿過電介質(zhì)的交流信號傳輸可以使用更高階調(diào)制等方案。作為三種技術中內(nèi)部絕緣厚度最小的技術，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現(xiàn)信號的隔離傳輸，壽命長、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能力會比較有限。不過也有多層電容和多層鈍化方法來提高容耦在高壓浪涌上的可靠性。

磁隔離技術在需要高頻直流/直流電源轉(zhuǎn)換的應用中是最具有優(yōu)勢的，可以在大多數(shù)應用中傳輸超過數(shù)百毫瓦的功率，無需次級側(cè)偏置電源，還能發(fā)送高頻信號。改善傳輸延遲和延遲偏差這是其他隔離技術沒辦法實現(xiàn)的。

小結(jié)

在工業(yè)和汽車這種高壓系統(tǒng)多的應用中，高等級的隔離能保護低電壓電路免受高電壓故障影響，中斷接地回路來保持信號完整性，從而實現(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越高，需要實現(xiàn)的隔離、保護功能也越來越多，不同技術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。