發布日期：2022-05-11 點擊率：65
【導讀】為了防止高電壓和高功率危險，設計中可以使用隔離器(isolator)作為系統的隔離屏障，使電壓信號在傳感器和控制器之間傳遞而不受共模電壓的影響，確保信號完整。
傳感器在一些高電壓系統中的應用愈見廣泛，如屋頂太陽能的逆變器、社區的電網、HVAC系統、又或是商業樓宇的自動化空調系統等。在這些工作環境下，傳感器的數據傳送到控制器，如人機界面（HMI，Human Machine Interface）作分析。
可是，如果傳感器附近有一些高電壓存在，不僅會影響傳感器操作或損壞控制器，更有可能因發送傳感器的數據錯誤而導致嚴重的事故，特別是醫療設備，這可能會對用戶安全產生相當的風險。
為了防止高電壓和高功率危險，設計中可以使用隔離器(isolator)作為系統的隔離屏障，使電壓信號在傳感器和控制器之間傳遞而不受共模電壓的影響，確保信號完整。
圖1：隔離器工作原理
還有一個關鍵原因是，現實中一些電信基礎設施需要高速地傳輸數據及信號，會涉及高功率，而使用隔離器可以令系統得到保護。
電流隔離是電氣系統中的一種隔離技術。在傳感器和其他電子設備之間提供電流隔離，可以防止直流或不受控制的瞬態電流影響。然而，傳感器傳遞的數據和能量仍然需要通過隔離屏障傳送。
電流隔離屏障有三種常見技術——光電隔離、磁隔離和電容式隔離。雖然這三種技術隔離屏障的介質有所不同，但最終目標都是相同的。
光電隔離：成熟易用的技術
光電隔離 (或稱光隔離)，是三種技術中使用最早的，并且易于使用。如下圖， 光隔離一般是采用光耦合器(簡稱光耦) 進行隔離，以光為媒介傳遞信號。如Toshiba的TLP291光耦透過發光二極管（LED）和光探測器，把信號轉換成以電 - 光 - 電形式傳遞，產生隔離作用。
圖2：光電隔離原理
然而光耦一般數據傳輸速率較低（因為LED需要時間開啟），并且有較高的功耗，同時器件的性能表現會隨著使用時間增加而降低。此外，由于發光二極管的物理尺寸限制，光隔離器的尺寸難以減小。
相對與光隔離，磁隔離和電容式隔離都是以數字方式通過屏障傳輸數據。
磁隔離：速率高而磁場抗擾度弱
磁耦是基于磁隔離技術的隔離器件，也成為磁隔離器。
圖3：磁隔離工作原理
我們會發現，有些磁耦可以以高達100Mbps速度的脈沖電流通過隔離屏障，磁耦的數據傳輸速率特性可以在Digi-Key網頁內找到。
圖4：磁耦數據速率參數查詢
但是要留意的是，磁耦的功耗會隨著數據速率增加而增加。它對電磁干擾也很敏感，而在HVAC系統和涉及電機的工廠自動化環境中的磁場是很大。
電容式隔離：更好的解決方案
與磁隔離一樣，電容式隔離具有用于編碼和解碼輸入AC信號的數字電路(如下圖)，利用可變的電場在隔離屏障中傳輸信息。
圖5：電容隔離工作原理
電容式隔離器無法傳遞直流信號，因此它們本身就是一個很好的隔離器。電容式隔離器不易受磁場噪聲影響，而仍然保持高數據速率和低功耗?？梢娛褂秒娙菔礁綦x的好處是信號傳輸方面更有效率，對磁場有更好的抗擾度。
下圖比較了ADI的ADuM1100(磁隔離)和TI 的ISO72x(電容式隔離)的磁場抗擾度，雖然兩個例子在限定磁場下都不太受磁場影響，但ISO72x對磁場抗擾度有更好的表現。
圖6：磁隔離和電容隔離技術磁場抗擾度比較
無論是光隔離、磁隔離或是電容式隔離，只要在適當的條件下工作都可以達到很出色的隔離效果。下圖是一個三種隔離技術的簡單比較：
表1：三種主流隔離技術的比較
本文小結
傳感器要高速度傳輸信號，隔離是一個不可或缺的組成技術。特別是在惡劣的高電壓和高功率工作環境中，使用電容式隔離更見重要性，因為電容式隔離：
有很好的抗磁能力
具有更快的速數據傳輸
更高的信號完整性
低功耗
來源：DigiKey 作者：Barley Li
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