如何在高压系统中实现电源线和信号线的电流隔离

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美编辑

各种高压应用（包括工厂自动化和电机驱动等工业 4.0 系统）中存在电源和信号线时，需要为设备和用户提供强大的保护。这扩展到汽车和电动汽车 (EV)、医疗系统、测试和测量应用以及光伏系统和电网基础设施等绿色能源系统。为了实现这种保护，需要某种形式的隔离。

设计人员面临的挑战是确保隔离机制紧凑、高效且具有成本效益，同时支持双向信号传输和电力传输。由于隔离机制必须确保操作员免受高压影响并确保系统可靠运行，因此隔离设备必须符合国际电工委员会 (IEC) 60747-5 和 IEC 60747-17 等标准。

使用光耦合器或变压器进行电流隔离的传统方法可以满足 IEC 标准，但在某些应用中存在局限性。为了更可靠地满足设备和用户保护要求，同时提供双向信号传输，需要使用电容和磁性技术进行电流隔离。

本文简要介绍电流隔离。然后，它回顾了 IEC 标准，并研究了如何使用集成电容和磁性技术来实现电流隔离。它介绍了德州仪器 (TI) 的电流[隔离解决方案]示例，适用于包括结合电容和磁性技术的通用隔离器等应用。还讨论了加速设计过程的评估板。

电流隔离的作用

电流隔离可防止电子或电气系统功能部分之间的电流流动，但支持各部分之间模拟和数字信号以及电力的传输（图 1）。电流隔离可用于：

• 连接具有不同接地电位的功能部分
• 通过停止共享接地的功能部分之间的电流来打破接地环路
• 保护操作员免受高压部分的电击危险

图 1：电流隔离允许数据和/或功率流动，但隔离部分之间没有接地电流。 （图片来源：德州仪器）

隔离类型和选择

有多种隔离类型可供选择，并且管理其使用的国际标准也不同，例如用于磁隔离和电容隔离的 IEC 60747-17 以及用于光耦合器的 IEC 60747-5-5（表 1）。

• 功能或操作隔离可确保系统正常运行，但不能保护用户免受高电压的影响。它不属于安全法规的范围。
• 基本隔离是安全法规中包含的最简单的隔离形式。它可以保护用户免受电击，但如果发生故障，用户仍然可能接触到高压。
• 补充隔离在基本隔离之上添加了一层。如果基本隔离失败，它可以保护用户免受高电压的影响。
• 双重隔离不是单独的隔离类型。它是指同时使用基本隔离和补充隔离。然而，大多数标准和安全文件都将双重隔离称为隔离类型。
• 强化隔离是一种单隔离系统，可提供相当于双重隔离的保护。增强隔离的性能和测试要求比基本或补充隔离方法更严格。

表 1：增强隔离的测试和操作要求比基本隔离更严格。 （表格来源：德州仪器）

虽然光耦合器广泛用于电流隔离目的，但它们只能用在信号线上，效率往往较低，只能在一个方向发送数据，并且有带宽限制。光耦合器带宽可以通过添加 LED 驱动电路和放大器来提高，但这会导致更高的成本和能耗。使用变压器提供磁隔离可以为电源和高速信号线提供有效的解决方案，但分立变压器体积庞大且成本高昂。

为了可靠、更有效地满足电流隔离的要求，设计人员可以采用符合 IEC 隔离标准的集成电容和磁性解决方案。电容隔离器支持模拟信号和高速双向数据传输，但功率传输能力有限。集成磁隔离可以支持高速数据的双向传输和更高级别的功率传输。

隔离特性

隔离电压、工作电压和共模瞬态抗扰度（CMTI）是隔离器的三个关键特性。隔离电压指定隔离器可以短时间免受危险电压影响的最大电压。工作电压是隔离器设计使用的长期电压。

CMTI 是施加在两个隔离电路之间的公共电压瞬变的最大转换速率（频率），可以承受该电压，并且不会对跨隔离栅的数据传输产生不利影响。 CMTI 以千伏每微秒 (kV/μs) 或伏每纳秒 (V/ns) 为单位。隔离接地层之间的电容是瞬态能量穿过势垒并破坏数据或波形的路径。高 CMTI 表明系统稳健，即使暴露于快速瞬态事件，两侧也能在规格范围内运行。低 CMTI 可能会导致失真、信息丢失、抖动和其他信号完整性问题。 100 V/ns 或更高的 CMTI 表示高性能隔离器。

除了电气规格外，隔离器还必须满足与间隙和爬电距离相关的机械要求。间隙是相邻导体之间通过空气的距离，而爬电距离是它们之间穿过封装表面的距离。

各种封装样式和尺寸可提供不同级别的爬电距离和间隙性能。模塑料的选择以及具有所需介电强度的绝缘体材料的使用也是决定隔离等级的因素。常用材料的介电强度有：

• 空气 ≈ 1 伏均方根每微米 (V 有效值 /μm)
• 环氧树脂 ≈ 20 V 有效值 /μm
• 二氧化硅填充模塑料 ≈ 100 V 有效值 /μm
• 聚酰亚胺聚合物 ≈ 300 V 有效值 /μm
• 二氧化硅 (SiO2) ≈ 500 V 有效值 /μm

电流隔离技术

光耦合器使用 LED 通过介电绝缘体将模拟或数字信号传输到光电晶体管。如前所述，它们是单向设备。光耦合器中使用的常见绝缘材料包括空气、环氧树脂或模制化合物。由于这些材料的介电强度相对较低，因此 LED 和光电晶体管之间需要更大的物理距离才能实现给定的隔离级别。

电容隔离使用 SiO2 绝缘屏障。与大多数环氧树脂或模塑料相比，SiO2 具有高介电强度，并且在暴露于极端温度的湿气中时更加稳定。电容隔离使用各种调制技术（例如开关键控或相移键控）来跨屏障传输交流信号。电容隔离结构紧凑，可以双向传输高速信号，但功率传输能力非常有限，通常<100 微瓦 (μW)。

磁隔离器可以跨隔离栅传输信号和电力。其中一些隔离器可以传输数百毫瓦 (mW) 的功率，并且可以取代次级侧偏置电源。磁隔离器可以使用空气芯或铁氧体芯。铁氧体磁芯可以承受更大的功率。当功率需求低于约 100 mW 时，空芯可以提供成本更低、更简单的解决方案。这三种技术均支持不同的信号和电力传输组合（图 2）。

图 2：光耦合器 (A) 只能传输信号，电容隔离器 (B) 可以传输有限的功率和信号，磁隔离器 (C) 可以处理更高的功率水平和信号。 （图片来源：德州仪器）

电源和信号隔离

需要高达 650 mW 的隔离电源和四个能够实现 100 兆比特每秒 (Mbps) 传输速率的隔离信号通道的设计人员可以选择德州仪器 (TI) 的[ISOW7841FDWER]。该通用器件的隔离额定值为 5 kV 均方根 (kV 有效值 )，最小 CMTI 为 ±100 kV/μs。它在信号通道上使用 SiO2 隔离，并在片上电源变压器上使用薄膜聚合物隔离（图 3）。 ISOW7841EVM评估板可以帮助设计人员评估隔离系统[中]的器件性能并加快上市时间。

图 3：ISOW7841FDWER 在电源变压器（顶部）中使用聚合物绝缘，在信号链（底部）中使用 SiO2 隔离电容器。 （图片来源：德州仪器）

隔离式汽车 DC/DC

需要 500 mW 和 5 kV有效值隔离的汽车系统可以使用德州仪器 (TI) 的符合 AEC-Q100 标准的[UCC12051QDVERQ1] 。它的最小 CMTI 为 100 V/ns，浪涌能力为 10 kV 峰值 ，工作电压为 1.2 kV 有效值 。它使用内部振荡器的扩频调制和优化的内部布局来最大限度地减少辐射发射。它包括欠压锁定、热关断、使能引脚、同步功能，并提供 5.0 或 3.3 伏直流 (VDC) 输出。

UCC12050EVM [-022]评估板使设计人员能够测试启用/禁用功能、同步到外部时钟源、检测外部时钟故障并选择输出电压。它具有纹波和瞬态响应测量的测试点。该板可以作为支持额定隔离并提供良好电磁干扰 (EMI) 性能的布局示例来简化系统集成（图 4）。

图 4：除了加快 UCC12051QDVERQ1 隔离式 DC/DC 转换器 IC 的评估之外，UCC12050EVM-022 评估板还提供了系统集成的建议布局。 （图片来源：德州仪器）

具有电容隔离功能的 CAN 收发器

对于需要具有 1 Mbps 信号传输和 50 kV/μs CMTI 的控制器局域网 (CAN) 收发器的应用，德州仪器 (TI) 提供隔离等级为 5 kV RMS的[ISO1050DWR]和额定隔离等级为 2.5 kV RMS的ISO1050DUB。这些收发器符合高速 CAN 操作的 ISO 11898-2 规范（图 5）。它们的额定工作温度范围为 -55 至 105 摄氏度 (°C)，包括 -27 至 40 伏的过压、跨线和接地保护缺失、过热关断以及 -12 至 +12 伏共模范围。[](https://www.digikey.cn/zh/products/detail/texas-instruments/ISO1050DUB/2231781)

图 5：隔离式 ISO1050DWR 和 ISO1050DUB 收发器符合高速 CAN 操作的 ISO 11898-2 标准。 （图片来源：德州仪器）

[ISO1050EVM]评估模块具有输入和输出连接以及用于关键性能测量的测试点，可以加快这些器件与汽车系统的集成速度。

隔离 RS-485/RS-422 收发器

需要具有 5 kV RMS隔离的 500 kbps 速率的 RS-485/RS-422 收发器的系统可以从 Texas Instruments 的半双工[ISO1410BDWR]或全双工[ISO1412BDWR]中进行选择（图 6）。 SiO2 隔离栅在存在较大接地电位差的情况下支持稳健的数据传输。这些收发器的额定工作温度范围为 -40 至 125 °C。总线引脚设计可承受高水平的静电放电 (ESD) 和电快速瞬变 (EFT) 事件，无需额外的保护组件。

图 6：全双工 ISO1412BDWR（顶部）和半双工 ISO1410BDWR（底部）支持 500 kbps 数据速率并具有 5 kV有效值隔离（垂直虚线）。 （图片来源：德州仪器）

设计人员可以使用[ISO1410DWEVM]和[ISO1412DWEVM]评估板来评估各种系统参数。可以应用测试信号和序列，并且可以评估传播延迟、功耗以及不同总线和驱动器条件等性能特征。

结论

高压工业 4.0、汽车、医疗、绿色能源和其他系统的设计者需要电流隔离来保护设备和用户，同时满足尺寸、成本和可靠性要求以及相关的安全标准。如图所示，电源和信号线中的电容和磁电隔离可以产生紧凑且高性能的解决方案。这些隔离技术具有高 CMTI，并满足 IEC 60747-17 对增强隔离的要求。