信号隔离、电源隔离介绍

修改时间:20221027

• 隔离

防止电击，保护处理器、AC或 FPGA 免受高压损坏风险，中断接地回路和通信网络；

• 隔离原因

确保安全。

解决接地电位差

提高电路抗噪能力。

• 两种隔离方法：

模拟、数字隔离。

• 隔离技术

光学隔离、电感隔离 、电容隔离。

• 系统无隔离

隔离

两器件通信正常。 低压系统中，让两电路正常工作

当高压进入系统，信号危险。 高压引入明显电势差，导致破坏性电流流到系统。 导致错误或危险运行条件，需隔离。

隔离：保护俩个电路，允许两电路信号通讯、电源传输方法。

隔离器：用于隔离的IC。

何时需隔离？

例如，防止电击，保护处理器、AC或 FPGA 免受高压损坏风险，中断接地回路和通信网络， 如电机驱动器或电源转换器系统。

使用隔离三个原因。

1. 确保安全。

隔离防止电流从高压电位元件通过人体流到地面。 若人、设备在高压下运行或暴露于高压下，包括潜在雷击危险，就需电保护。 通过对电路隔离，可保护人、电路免受潜在致命性、破坏性电流影响。

2. 解决接地电位差

也称接地回路， 可能导致通信子系统间不准确性或中断。 当系统接地连接，会产生接地回路。 会在电路间形成多个接地路径。

例，RS485 接口与 MCU 通信。 虽然 RS485 可处理接地端为基准的 -7V~12V，但实际两电路间接地电位可能发生变化。 从电路到另一电路接地电位变化会产生电压差，而跨越很长电缆，压差会导致电流流动。

当电流流过接地回路时， 会出现明显压差，导致数据通信错误。 接地回路还能提供用作天线的路径，引起环境噪声干扰。

环境噪声的最常见是 50/60HZ噪声，噪声可能会在系统接地端产生有害电流。

数字隔离器用于断开接地回路， 防止噪声、保持通信完整性。

3. 提高电路抗噪能力。

接地回路影响可能会成为某一类别噪声源。噪声干扰主要来自系统内瞬态行为。

例，由于电机控制开关发生瞬态时，会在信号路径上产生高摆率瞬态电压。

这种情况通常会产生共模瞬态电压， 因此需高共模瞬态抗扰度 (CMTI)隔离器。 抗噪特性用于保持信号完整性。 数据表指定 CMTI 规格， CMTI 规格越高， 器件抗噪性就越好。

两种隔离方法： 模拟、数字隔离。

有多种拓扑方案用于隔离模拟、数字输入。

模拟隔离：

隔离位于模数转换器 (ADC) 输入前面的模拟信号。

ADC 将信号数字化。 隔离式放大器或隔离式 ADC 常用于隔离，通常来自分流电阻器、传感器输入的模拟信号。

隔离栅位于 ADC 前，注意， 输入增益放大器在输入信号产生任何误差也都会被 ADC 数字化。 在确定实现目标设计分辨率所需采用的精度时， 必须考虑这点。

可用模拟隔离避免放大器增益误差， 选择隔离式 Δ-Σ 调制器之类的隔离式数据转换器直接采样模拟输入信号。 通过优化设计，直接连接到分流电阻器、其他低压电平信号源，实现高分辨率隔离式输入。

数字隔离：

隔离数字输入信号。

隔离器与 FPGA 中间的 ADC 之后的隔离栅传输数字通信， 然后再传输至 FET和栅极驱动器。

隔离技术

模拟隔离、数字隔离采用技术：

光学隔离、电感隔离 、电容隔离。

每种技术使用不同电介质强度、绝缘体材料。

电介质强度：材料不经历电击穿、变为导电状态的情况下，可承受最大外加电场强度。

单位：伏特 RMS/微米。vrms/um

电介质强度值越高，隔离器越稳健。

光耦隔离

包含输入 LED、 接收光电探测器和一个输出驱动器(发射、接收、驱动)。

驱动器电路和LED电路常用互补CMOS 技术构建。 光耦隔离栅常用空气、环氧树脂

、模塑化合物构成。 光耦输入、输出需单独电源、单独接地端， 目的保持输入和输出信号隔离。

光耦合器在以下情况下会发生内部通信： 光电耦合器应用 CMOS 逻辑并产生输入侧电流，

电流产生比例LED输出， LED 输出通过模塑化合物隔离层到达接收光电并输出。

因为光隔离依赖光传输， 所以光耦通信速率通常低于电容隔离或电感隔离通信速率。

这主要是因为传输速率受限 LED 开关速度，LED 长期使用会导致信号减弱，从而限制长期通信功能。

电流传输比 (CTR)：一段时间内输出电流相对于输入电流。实现长工作寿命系统，必须通过校准系统考虑 CTR、系统进行过度设计确保光强度足以满足所需的工作寿命。

电感隔离

基于变压器技术， 使用聚酰亚胺的绝缘材料。

逻辑输入用于产生电磁场并跨电感变压器隔离层传输成比例的能量信号。

电容隔离

基于通过高频载波跨二氧化硅SiO2或 CMOS 隔离层进行的能量传输。

一个数字输入信号被施加和调制,跨隔离栅通信.会在输入端产生与被测信号的电平成比例的输出。

电容隔离器采用最高绝缘材料，可提供高数据速率、低热剖面、长使用寿命。

“什么是数字隔离器？” 组件级隔离要求主要取决于系统本身的高电压额定值，组件隔离标准和系统级标准是相辅相成，但并不相同。

组件级标准与器件及其隔离认证级别有关， 而系统级标准由行业标准机构确定，机构准则中涉及环境法规、 区域法规和国际法规及终端设备的特定要求。 要确定系统所需的组件隔离级别， 需了解用于确定所需组件级额定值的系统级认证要求。

综上：

1. 隔离定义，
2. 何时需隔离
3. 隔离方法和类型
4. 隔离标准、认证级别

问题 1 

隔离防止信号在两个电路之间传递。

答：错。隔离用于使信号通过， 但阻止直流电流和有害杂散交流电流。

问题 2.

使用隔离原因？

答：安全性和高压保护。

问题 3.

对于具有高电位差的系统，如何使用隔离最大限度减少流过系统不必要电流？

答：隔离器可用于断开接地回路，这些回路会导致不想要的噪声和电流。