什么是電隔離

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本文主要介紹什么是電隔離以及高速數字電路中的電氣隔離。本應用說明書概述了高速數字電路中電隔離的必要性、實施方法和特點。本文討論了光、磁（感）電（容）信號在隔離層上傳輸的優缺點。特別介紹了ISO72x系列數字電容耦合技術在隔離器中的應用。

什么是電氣隔離測試？電氣隔離測試是什么意思？

電隔離是將具有非理想效果的部件與其他部件分開。在電子電路中，電介質是通過阻斷直流電來隔離的。隔離電路如何在更大的電氣系統中工作？這個問題的答案是本文的主題。隨著德州儀器和其他供應商推出的產品數量不斷增加，傳輸隔離信號的選擇也在增加，這也使得設計師對產品的選擇更加復雜。本文介紹了隔離器的重要特性，并說明了產品之間的異同。

在回顧了電路隔離的必要性后，討論了介質信號傳輸和模數隔離器的三種方法，并對每種數字隔離器的實例進行了描述和比較。換句話說，電隔離是一種腐蝕控制方法。導體容易受到來自不同金屬的雜散電流的腐蝕。為這些導體提供良好的隔離，這樣可以顯著地控制腐蝕。

電氣隔離是由一個機械開關實現的，當需要時，它將部分電路與主電源系統隔離。

隔離電路的主要原因是保護電路不受危險電壓和電流的影響。在圖1的醫療應用示例中，即使是很小的交流電流也會造成致命傷害，因此需要一個隔離層來保護患者。隔離還可以保護敏感電路免受工業應用中出現的高電壓的影響。圖2中的工業示例只是一個高壓測量。將傳感器與實際高電壓隔離，可以測量低壓電路。

圖1：醫療應用示例

圖2：工業應用示例

保護的原理是隔離各種系統或電路中可能出現的高電位。在圖3所示的電纜應用程序中，一個遠程驅動程序與接收器隔離。經過如此長的距離，地面可能處于不同的電壓。通過隔離，在隔離器中形成電壓差而不是敏感電路。

圖3：裝置間的接地電壓差

如圖4所示，隔離中斷與其他電路元件有關的高阻抗電路路徑形成的回路。通過中斷環路，噪聲電壓出現在隔離層上，而不是接收器或更敏感的部件上。高噪聲電壓可由外部電流或電壓源（例如感應電動機和雷電）耦合。

圖4：隔離中斷電路路徑形成的回路

在允許通過電磁或光鏈路傳輸模擬或數字信號的同時，電路隔離器防止電路之間的低頻電流。數字隔離器傳輸二進制信號，而模擬隔離器在隔離層傳輸連續信號。在模擬和數字隔離器中，工作電壓和峰值額定電壓以及共模瞬態抗擾度是隔離層的重要特性。當隔離數字信號時，隔離電路的這些重要特性是輸入和輸出邏輯電壓電平、信號速率、數據運行長度和自我保護響應。

傳統上，變壓器、電容器或光電二極管、晶體管和分立電路都根據輸入和輸出信號進行調節，以滿足特定的需要。這種方法是有效的，但它不能從一個應用程序轉移到另一個應用程序。雖然這可能會保留模擬隔離器，但市場上已經出現了新一代數字隔離器，它使用創新電路以超過100mbps的直流信號速率隔離標準數字信號。這些通用數字隔離器各有優缺點。以下章節將介紹各種技術，并將特定產品與TI的新ISO72x系列進行比較。

• 3.1光耦合技術

光耦合是指光在透明的絕緣層（如氣隙）上的傳輸以進行隔離。圖5顯示了數字隔離器的主要組件。電流驅動器使用數字輸入并將信號轉換成電流來驅動發光二極管（LED）。輸出緩沖器將光電探測器的電流輸出轉換為數字輸出。

圖5：基本光學耦合機制

光耦合技術的主要優點是光天生不受外界電子或磁場的影響，而光耦合技術允許恒定的信息傳輸。光耦的缺點主要體現在限速、功耗和LED老化等方面。

光耦的最大信號速率取決于LED開關的速度。從目前現有產品來看，最快的光耦HCPL-0723，其信號速率可以達到50Mbps。

輸入到輸出的電流傳輸比（CTR）是光耦合器和led的一個重要特性，通常需要10mA的輸入電流才能實現高速數字傳輸。這個比率調整用來驅動LED的電流和光電晶體管產生的電流。隨著時間的推移，led的效率越來越低，需要更多的電流來產生相同亮度和相同輸出電流的光電晶體管。在許多數字隔離器中，內部電路控制LED驅動電流，用戶無法補償下降的CTR。LED的優勢被削弱了，隔離器不再像以前那樣高效工作。

• 3.2電感耦合

感應耦合技術利用兩個線圈之間不斷變化的磁場在隔離層上進行通信。最常見的例子是變壓器，其磁場取決于一次繞組和二次繞組的線圈配置（每單位長度的匝數）、鐵芯的介電常數和電流振幅。圖6顯示了一個帶有信號調節電路模塊的變壓器。

圖6：電感隔離

感應耦合的優點是可能的共模差分和差分傳輸特性。設計良好的變壓器允許噪聲和信號頻率重疊，但會表現出高噪聲共模阻抗和低信號差分阻抗。另一個優點是信號能量傳輸效率可以接近100%，使得低功耗隔離器成為可能。

感應耦合技術的主要缺點是外部磁場的磁化（噪聲）。工業應用通常需要磁場隔離。例如，運動控制。數字變壓器傳輸的另一個缺點是數據的運行長度。信號轉換器在一定的頻率和幅度范圍內傳輸信號，其失真是可以接受的。為了使信號保持在可用的變壓器帶寬內，需要數據運行長度限制或時鐘編碼。

采用感應耦合的通用數字隔離器在傳輸低頻信號（1或0個長字符）的同時，需要信號處理來傳輸和重構數字信號。NVE/Avago的Isoloop和ADI（模擬設備公司）的iCoupler使用編碼功能并提供支持DC-100Mbps操作的數字隔離解決方案。

ADUM1100是模擬器件ic耦合器技術的一個例子。ADUM1100使用一個基本的變壓器跨隔離柵傳輸信息。這種Isoloop技術（例如HCPL-0900）用電阻網絡代替了次級線圈，如圖7所示。電阻是由巨磁電阻（GMR）材料組成，它隨磁場的作用而變化。電路感應電阻的變化并滿足其輸出條件。當交流性能得到改善并超過現有光耦合器的性能時，該技術被引入市場。現在，隨著ADI的數字隔離器和TI的ISO72x系列器件的引入，這些Isoloop器件的性能已經被超越。

圖7:GMR結構

• 3.3電容耦合

電容耦合技術利用不斷變化的電場在隔離層上傳輸信息。每個電容器板之間的材料是一個介質隔離器，形成一個屏障。板的尺寸、板之間的間距和介電材料都決定了電性能。

圖8：電容耦合

使用電容隔離層的優點是尺寸和能量傳輸效率高，以及對磁場的免疫力。前者使集成低功耗、低成本的隔離電路成為可能；后者使得在飽和或高密度磁場中工作成為可能。

電容耦合技術的缺點是沒有差分信號和噪聲，信號共享同一個傳輸通道，這與變壓器不同。這要求信號的頻率明顯高于噪聲的預期頻率，以便隔離電容器顯示信號的低阻抗和噪聲的高阻抗。在感應耦合的情況下，電容耦合不能傳輸穩態信號，需要時鐘編碼的數據。

• 3.3.1 TI引入ISO72x--電氣隔離試驗

TI公司介紹了采用電容耦合技術的ISO72x系列隔離器。電容耦合解決方案采用成熟、低成本的制造工藝，磁場具有固有的抗擾性。

為了提供恒定的信息傳輸，ISO72x使用高信號速率和低信號速率信道進行通信，如圖9所示。高信號率信道不編碼，它通過隔離層上的單端差分轉換傳輸數據。低信噪比信道以脈寬調制格式編碼數據，并在隔離層上進行差分傳輸，以確保在恒定條件下（長1和0個字符）進行精確通信。

單端邏輯信號的差分傳輸隔離層允許使用低電平信號和小型耦合電容器。這為共模噪聲提供了高阻抗，并通過抑制接收機上的共模噪聲提供了極好的瞬態抗擾度。這是信號電容耦合需要解決的主要問題。

表4：可靠性測量

• 3.4隔離性能

三個主要標準驗證了隔離保護的必要性，即UL 1577、IEC 60747-5-2和CSA。盡管每個標準略有不同，但它提供了一個比較隔離性能的標準。通過IEC、UL和CSA測試，確認輸入和輸出之間的電壓超過介電擊穿范圍。這些標準的使用非常簡單，因為測試標準與隔離方法無關。圖10顯示了隔離測試如何將隔離器視為兩個終端設備。雖然每個器件的物理結構不同，但隔離測試是在介質擊穿電壓下進行的。

圖10：隔離試驗

ISO72x系列隔離器通過UL 1577、IEC 60747-5-2、IEC 61010-1和CSA進行測試。表1顯示了這五種設備的隔離性能，說明了三種隔離技術。

表1：隔離性能

UL、CSA和IEC三種測試方法都是對絕緣質量的測試。UL和CSA測試是使用制造商設定的時間來測試介質擊穿電壓的壓力測試。電介質擊穿是該試驗失敗的一個征兆。IEC測試使用一種稱為局部放電的現象來檢測電介質中的空隙。向設備施加一個大電壓，這是制造商定義的工作電壓的函數，然后降低到另一個電壓等級Vm。在這種低電壓應用中，被測設備被監測介質中的無效局部放電。這些低效率導致了整個電介質的最終崩潰。

• 3.5瞬態抗擾度

高轉換率（高頻）瞬變會干擾隔離層上的數據傳輸。隔離電容器提供如圖11所示的路徑，允許瞬態事件通過隔離屏障并破壞輸出波形。法拉第屏蔽使光耦或感應耦合器中的這部分位移電流遠離重要的輸出結構。

圖11：隔離器電容

在電容耦合解決方案中，法拉第屏蔽不是一個可行的解決方案。除了瞬變，法拉第屏蔽層還可以屏蔽用于數據傳輸的電場。為了提供瞬態抗擾度，ISO72x系列電容隔離器僅傳輸fo信號（僅代表最高頻率能量的數據信號）。

這使得耦合電容具有高頻噪聲頻率。另一種噪聲來自于在隔離層上傳輸數據的差分技術。圖9顯示了通過電容隔離層的四個信號；其中兩個包含低信號率信息，另兩個包含高信號率信息。通過使用差分技術，任何通過隔離屏障的剩余共模瞬態都可以在真實信號和補償信號中看到，并且差分接收器可以抑制它們。如表2所示，ISO72x系列器件的瞬態抗擾度高達25kV/us，與其他同類器件相當。

• 3.6自動保護

數據線電路和數字隔離器需要注意輸入信號和輸出狀態的損失。當電纜斷開或直接從隔離器輸入端切斷電源時，可能會出現輸入損耗。自動保護是指輸入丟失時的確定或已知的輸出狀態。ISO72x系列使用周期性脈沖來確定輸入結構是否通電和工作。如果隔離器輸出在4us后沒有接收到脈沖，則輸出設置為高狀態。ADUM11 ADUM1100還在IC的輸出端口集成了一個自動保護電路。Anwar Technology推出的光學解決方案（HCPL-0721和-0723）并未提及自動保護，而感應式GMR解決方案（HCPL-0900）則明確描述了功率排序過程中輸出的不確定性。

• 3.7功耗

除了隔離層的信號傳輸效率外，輸入和輸出調節電路的設計與功耗最相關。比表中所示的光耦合器或電容器消耗更多的功率。

表3：靜態電源電流

• 3.8可靠性

平均失效時間（MTTF）是衡量半導體器件可靠性的標準方法。對于數字隔離器，這種測量顯示了集成電路和隔離機制的可靠性。表4顯示了光學、電感和電容數字隔離器的MTTF。與感應和光學解決方案相比，ISO721是非常可靠的。

表4：可靠性測量

ADUM1100可靠性數據表沒有明確說明MTTF，但它提供了可靠性測試的結果。表5顯示了ISO721和ADUM1100可靠性測試參數。

表5：原始可靠性數據

• 3.9外部磁場抗擾度

圖12比較了ADUM1100和ISO72x的磁場抗擾度（未找到HCPL-0900的數據）。相對而言，雖然這兩個例子對磁場有一定的免疫力，但ISO72x提供了更大的裕度。如前所述，光耦隔離電路對外部磁場具有固有的磁化抗擾度。

圖12：對外部磁場的敏感性

降噪和噪聲保護使隔離器廣泛應用于中斷接地回路和隔離接地電壓差的電子電路中。設計人員現在有許多數字信號隔離的選擇，包括TI的ISO72x系列的關鍵功能。如信號速度、介質擊穿電壓、瞬態沖擊電阻、功耗、磁場抗沖擊性和可靠性等各方面都有良好的表現。表6總結了本報告中討論的示例的特點。

表6：不同數字隔離器參數

1電隔離是什么意思？

電隔離是將具有非理想效果的部件與其他部件分開。在電子電路中，電介質是通過阻斷直流電來隔離的。

2為什么電氣隔離很重要？

所有電氣裝置至少在消耗計量點有隔離裝置。隔離的目的是防止觸電、燒傷和彈道——電弧閃光的影響。。。隔離應保持安全，以防止電源重新連接。

3電隔離的類型是什么？

根據電力系統的位置，隔離器可分為母線側、線路側和轉換母線側三種類型。

4隔離變壓器的優點是什么？

隔離變壓器的另一個優點是可以減少電涌。由于電源的直流信號是隔離的，所以電氣設備可以平穩運行而不存在電涌的風險。這意味著即使出現電源故障，設備也可以在高水平上運行。

5如何進行隔離測試？

通常情況下，您將兩根導線（正極和負極）連接在絕緣屏障上。第三根導線連接到保護端子，可能在您的測試儀中可用，也可能不可用。如果是，你可能需要也可能不需要使用它。

6什么是隔離PLC？

過程控制模擬輸入模塊中的隔離。電流隔離是物理上和電氣上分離兩個電路的原理，這樣就沒有直接的傳導路徑，但是數據和電力仍然可以交換。這通常是通過變壓器、光耦或電容器來實現的。

7什么是電源隔離？

一個隔離的電源有一個與它的電源輸入電獨立的電源輸出。。。當一個電源有多個隔離的電源輸出時，這意味著輸出電壓彼此獨立，并且輸出之間沒有連接。

8隔離器和斷路器的區別是什么？

隔離器和斷路器之間的主要區別在于，隔離器在卸載條件下斷開電路，而斷路器在有載條件下斷開電路。。。隔離器和斷路器的操作、功能和承受能力。

9隔離變壓器能防止觸電嗎？

隔離變壓器提供電流隔離；電源和負載之間沒有導電路徑。這種隔離用于防止電擊，抑制敏感設備中的電噪聲，或在兩個不能連接的電路之間傳輸功率。

10為什么工廠和PLC CPU之間需要隔離？

這些傳感器通常遠離PLC本身，這意味著電纜敷設較長。這種情況通常會產生地電位差，從而使傳感器數據傾斜并引入誤差。需要某種形式的隔離以確保準確性。