數(shù)字隔離技術(shù)在能量??收集設(shè)計應(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，還可以提供對這些系統(tǒng)內(nèi)敏感電子電路的高壓保護。確保設(shè)計中的適當隔離需要將應(yīng)用特性與隔離技術(shù)相匹配。對于工程師而言，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)建一個完全隔離的系統(tǒng)變得更加簡單。

在太陽能收集或電池組管理等高壓應(yīng)用中，電流隔離對于保護用戶和系統(tǒng)免受危險電壓等級的影響至關(guān)重要。隔離在低壓應(yīng)用中同樣重要，例如環(huán)境供電的無線傳感器，其中噪聲，瞬態(tài)信號，共模電壓和其他因素會降低測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，同時防止電流在它們之間傳遞。例如，隔離器用于整個電動車輛，在數(shù)字組件使用的低壓系統(tǒng)和用于驅(qū)動電機的高壓系統(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允許信號在它們之間自由通過方面起著關(guān)鍵作用。例如，電動車輛依靠放置在整個系統(tǒng)中的隔離器來將高壓驅(qū)動總線與低壓信號總線分開。 （Avago Technologies提供）

雖然模擬和數(shù)字域都可以進行隔離，但數(shù)字隔離器的使用可以在設(shè)計選擇和電路優(yōu)化方面提供更大的靈活性。例如，在傳感器信號鏈中，數(shù)字隔離的使用允許設(shè)計人員縮短傳感器和ADC之間的信號鏈，以增強鏈本身的模擬性能。此外，這種方法避免了在信號到達ADC之前模擬隔離元件在增益，非線性和偏移中引入誤差時可能出現(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，電容或磁耦合技術(shù)在不同電壓域之間傳輸比特流?？紤]到它們在產(chǎn)品安全中的關(guān)鍵作用，基本性能參數(shù)受到國家和國際標準的嚴格監(jiān)管。光隔離器已經(jīng)使用了一段時間，并受IEC 60747和UL 1577標準的約束。其他標準（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)傳輸速率以及電場或磁場抗擾度方面提供顯著差異。

光電隔離器至少包括LED和光電探測器，通常由氣隙隔開，提供物理隔離屏障。 LED將信號作為穿過該屏障的光強度的變化傳輸?shù)焦怆娞綔y器，光電探測器將透射光轉(zhuǎn)換回原始信號。制造商在此基本設(shè)計的基礎(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和光電探測器與高速互阻抗放大器和帶輸出驅(qū)動器的電壓比較器（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）擴展基本的LED光電探測器電路。 （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)用中可能存在強電場或磁場。

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)計人員通常會尋求其他隔離技術(shù)，用于通常指定20年耐久性的太陽能收集系統(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

對于長壽命應(yīng)用或需要最高日期速率的應(yīng)用，設(shè)計人員可以轉(zhuǎn)向基于電容或磁隔離的器件。兩種類型的設(shè)備都可以實現(xiàn)高達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電容器形成的隔離屏障，每個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。輸入信號導(dǎo)致電容器兩端的電場變化，導(dǎo)致輸出側(cè)檢測到的電荷成比例變化，從而相應(yīng)地重建原始信號。

圖3：電容隔離器將電信號的電場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）

出于所有實際目的，電容隔離器不受磁場影響。另一方面，它們使用電場進行信號傳輸意味著它們易受外部電場的影響 - 例如，可能引起在高壓線路附近工作的應(yīng)用的擔憂。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的影響。為了進一步增強電磁抗擾性，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傳遞到電容隔離柵。接收器包含一個解調(diào)器，根據(jù)其RF能量內(nèi)容對輸入狀態(tài)進行解碼，以在器件的輸出引腳上重建輸入信號。

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。當然，通過使用磁場進行信號傳輸，這些類型的隔離器易受外部磁場的干擾。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)隔開的一對電容器板的情況下，電感耦合器件使用一對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。器件的輸出級檢測輸出側(cè)線圈中的電流變化并重建原始信號。

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。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，可提供更高的靈敏度和精度。 GMR技術(shù)實現(xiàn)了非常快的切換速度，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。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。對于設(shè)計人員而言，數(shù)字隔離器IC提供了一種簡單的方法來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，電容或磁耦合技術(shù)的各種合適的數(shù)字隔離器IC。