数字隔离技术在能量​​收集设计应用中的作用

隔离在能量收集系统中发挥着关键作用，不仅可以为人类操作员提供高压保护，还可以提供对这些系统内敏感电子电路的高压保护。确保设计中的适当隔离需要将应用特性与隔离技术相匹配。对于工程师而言，由于ADI公司，Avago Technologies，英飞凌科技，Maxim Integrated，NVE，Silicon Labs，德州仪器和东芝半导体等供应商提供的一系列隔离组件，构建一个完全隔离的系统变得更加简单。

在太阳能收集或电池组管理等高压应用中，电流隔离对于保护用户和系统免受危险电压等级的影响至关重要。隔离在低压应用中同样重要，例如环境供电的无线传感器，其中噪声，瞬态信号，共模电压和其他因素会降低测量精度甚至损坏敏感元件。

在任何应用中，隔离器件允许系统在不同电压域之间传递信号，同时防止电流在它们之间传递。例如，隔离器用于整个电动车辆，在数字组件使用的低压系统和用于驱动电机的高压系统，为主电池充电和供电系统电源之间提供屏障（图1）。

图1：隔离在分离不同电压域同时允许信号在它们之间自由通过方面起着关键作用。例如，电动车辆依靠放置在整个系统中的隔离器来将高压驱动总线与低压信号总线分开。 （Avago Technologies提供）

虽然模拟和数字域都可以进行隔离，但数字隔离器的使用可以在设计选择和电路优化方面提供更大的灵活性。例如，在传感器信号链中，数字隔离的使用允许设计人员缩短传感器和ADC之间的信号链，以增强链本身的模拟性能。此外，这种方法避免了在信号到达ADC之前模拟隔离元件在增益，非线性和偏移中引入误差时可能出现的精度问题。

数字隔离技术

数字隔离器通常依靠光学，电容或磁耦合技术在不同电压域之间传输比特流。考虑到它们在产品安全中的关键作用，基本性能参数受到国家和国际标准的严格监管。光隔离器已经使用了一段时间，并受IEC 60747和UL 1577标准的约束。其他标准（如VDE 0884-10和IEC 60747-5-5）规定了与电容和磁技术相关的其他性能特性。因此，使用这些不同技术的制造商提供具有类似性能特征的组件，例如工作电压，隔离电压和共模瞬变抗扰度（CMTI）。相比之下，这些技术可以在功率要求，数据传输速率以及电场或磁场抗扰度方面提供显着差异。

光电隔离器至少包括LED和光电探测器，通常由气隙隔开，提供物理隔离屏障。 LED将信号作为穿过该屏障的光强度的变化传输到光电探测器，光电探测器将透射光转换回原始信号。制造商在此基本设计的基础上增加了电路，以提高性能和可靠性。例如，Avago Technologies HCPL-7723光隔离器将LED和光电探测器与高速互阻抗放大器和带输出驱动器的电压比较器（图2a）相结合，而Avago ACSL-6210则提供双向通道（图2b）。

图2：可用的光隔离器用放大器和比较器（A）或双向通道（B）扩展基本的LED光电探测器电路。 （Avago Technologies提供）

最常用的隔离方法之一是光隔离，可以抵抗电磁噪声。因此，这种方法在工业和汽车应用中特别有效，在这些应用中可能存在强电场或磁场。

另一方面，LED功耗特性可转化为更高的功率要求。此外，继续使用可导致LED磨损并且在使用多年后可能发生故障。因此，设计人员通常会寻求其他隔离技术，用于通常指定20年耐久性的太阳能收集系统。最后，LED的使用及其受限的开关速度转换为比其他隔离技术更低的传输速度。然而，设计人员可以找到高速光隔离器，如刚刚提到的Avago HCPL-7723和东芝半导体TLP117。这两款器件均提供50 MBd传输速率，22 ns（最大）传播延迟，3750 Vrms隔离电压和10 kV/μsCMTI。

电磁耦合

对于长寿命应用或需要最高日期速率的应用，设计人员可以转向基于电容或磁隔离的器件。两种类型的设备都可以实现高达150 Mbps的传输速率，并具有相应的短传播延迟。例如，Maxim Integrated MAX14934，Silicon Labs SI8422和Texas Instruments ISO7641隔离器等基于电容的隔离器可实现150 Mbps的数据速率，传播延迟分别为7.5 ns，11 ns和10.5 ns。

电容隔离器依赖于由两个电容器形成的隔离屏障，每个电容器在二氧化硅电介质的每一侧都具有铜顶板和导电硅底板（图3）。隔离器的输入侧通过键合线连接到隔离电容器的顶板，而输出侧连接到底板。输入信号导致电容器两端的电场变化，导致输出侧检测到的电荷成比例变化，从而相应地重建原始信号。

图3：电容隔离器将电信号的电场变化传递到由电介质隔离栅隔开的电容器极板上。 （德州仪器公司提供）

出于所有实际目的，电容隔离器不受磁场影响。另一方面，它们使用电场进行信号传输意味着它们易受外部电场的影响 - 例如，可能引起在高压线路附近工作的应用的担忧。然而，制造商在这些器件中使用紧密间隔的差分输入到电容器极板，以显着减轻外部电场的影响。为了进一步增强电磁抗扰性，Silicon Labs ISOpro系列中的SI8422等器件使用RF发送器和接收器将信号传递到电容隔离栅。接收器包含一个解调器，根据其RF能量内容对输入状态进行解码，以在器件的输出引脚上重建输入信号。

相反，磁耦合隔离器，如ADI公司iCoupler系列中的器件和英飞凌科技ISOFACE系列产品可有效抵抗电场。当然，通过使用磁场进行信号传输，这些类型的隔离器易受外部磁场的干扰。与电容隔离器一样，电感耦合器件是分层结构。在电容隔离器使用由电介质隔开的一对电容器板的情况下，电感耦合器件使用一对线圈隔开一层绝缘层，以在器件的输入和输出引脚之间形成隔离屏障。输入信号导致流过输入侧线圈的电流变化，从而在隔离屏障的输出侧上的线圈中引起比例电流。器件的输出级检测输出侧线圈中的电流变化并重建原始信号。

巨磁电阻（GMR）隔离器同样基于磁耦合，但依赖于薄膜材料的非常大或“巨大”的电阻变化，并在绝缘屏障上施加磁场。器件输出侧GMR电阻器结构的电阻变化非常大，从而产生大输出信号，可提供更高的灵敏度和精度。 GMR技术实现了非常快的切换速度，允许诸如Avago Technologies HCPL-090J和NVE IL712等NVE Sloop系列设备的设备分别实现100 MBd和150 Mbps的数据速率以及15 ns和10 ns的传播延迟。此外，GMR隔离器中使用的材料的稳定性使产品寿命更长。例如，NVE引用了其Sloop系列设备44,000年的屏障寿命。

结论

电流隔离对于高压应用中的安全性和低压应用中的可靠性至关重要。对于设计人员而言，数字隔离器IC提供了一种简单的方法来确保任何电路的正确隔离。为了满足传输速度，电磁抗扰度和其他工作特性的特定要求，工程师可以找到基于光学，电容或磁耦合技术的各种合适的数字隔离器IC。