解讀高速數字電路中電子隔離應用技巧

概要

本應用報告概述了高速數字電路中電子隔離的必要性、實施以及特性，討論了在一個隔離層上進行光、磁(電感)和電氣(電容)信號傳輸的優點和缺點，并對ISO72x系列數字隔離器中使用的電容耦合技術作了特別的重點闡述。

1. 引言

隔離就是將一部分與其他部分中的非理想影響分離開來。在電子電路中，電介質通過阻斷直流電(DC)實現電路隔離。那么被隔離的電路如何在一個更大的電氣系統中運行呢？這個問題的答案便是本應用報告的主題。

隨著德州儀器(TI)和其他供應商推出的產品數量不斷增加，隔離信號的傳輸選項也隨之增加，從而使設計人員在產品選擇上變得更加復雜。本報告闡述了隔離器的重要特性，并說明了各產品之間的差異和相似之處。

在對電路隔離的必要性進行回顧之后，我們對電介質信號傳輸的三種方法以及模擬對數字隔離器進行了討論，并對每一類型數字隔離器的實例進行了描述和對比。

2. 電路隔離的必要性

隔離電路的主要原因是保護電路不受危險電壓和電流的損壞。在圖1的醫療應用實例中，即使是小量的AC電流也有可能造成致命的傷害，因此需要采用一個隔離層來保護病人。隔離還可對敏感電路進行保護，使其免于受到工業應用中出現的高壓損壞。圖2的工業實例僅為一個高壓測量法。將傳感器與實際高壓相隔離使得對低壓電路的測量成為可能。

圖1：電源和病人之間可能的電路通路。

保護原理是將高電壓電位(potential)隔離，其可能出現在各系統或電路中，如圖3中的線纜應用所示，其中的長距離可以將一個驅動器和接收機隔離。經過如此的長距離，接地可能處在不同電壓中。通過隔離，在隔離器而非敏感電路中形成電壓差。

圖3：設備之間的接地電壓差。

如圖4所示，通過相對于其他電路組件而言的高阻抗，隔離中斷了由電路通路形成的環路。通過中斷該環路，噪聲電壓出現在隔離層上，而非出現在接收機或更為敏感的組件上。噪聲電壓的高電平可以由外部電流或電壓源(例如：電感馬達和閃電(lightning))耦合。

3. 電路隔離器

在允許通過電磁或光鏈路進行模擬或數字信號傳輸的同時，電路隔離器阻礙了各電路之間的低頻電流。數字隔離器傳輸二進制信號，模擬隔離器則在隔離層上傳輸連續信號。在模擬和數字隔離器中，工作和峰值額定電壓以及共模瞬態抗擾度均為這種隔離層的重要特性。當對數字信號進行隔離時，隔離電路的這些重要特性為輸入和輸出邏輯電壓電平、信號速率、數據運行長度以及自動防護響應。

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