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介紹本文主要介紹什麼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。本文讨論了光、磁（感）電（容）信号在隔離層上傳輸的優缺點。特别介紹了ISO72x系列數字電容耦合技術在隔離器中的應用。
什麼是電氣隔離測試？電氣隔離測試是什麼意思？
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介紹 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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一、電氣隔離定義 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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二、電氣隔離意義 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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三、電路隔離器 3.1光耦合技術 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 三、電路隔離器 在允許通過電磁或光鍊路傳輸模拟或數字信号的同時，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号，而模拟隔離器在隔離層傳輸連續信号。在模拟和數字隔離器中，工作電壓和峰值額定電壓以及共模瞬态抗擾度是隔離層的重要特性。當隔離數字信号時，隔離電路的這些重要特性是輸入和輸出邏輯電壓電平、信号速率、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号進行調節，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拟隔離器，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的直流信号速率隔離标準數字信号。這些通用數字隔離器各有優缺點。以下章節将介紹各種技術，并将特定産品與TI的新ISO72x系列進行比較。
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将信号轉換成電流來驅動發光二極管（LED）。輸出緩沖器将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。 光耦的最大信号速率取決于LED開關的速度。從目前現有産品來看，最快的光耦HCPL-0723，其信号速率可以達到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産生的電流。随着時間的推移，led的效率越來越低，需要更多的電流來産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，内部電路控制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。
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顯示了一個帶有信号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号頻率重疊，但會表現出高噪聲共模阻抗和低信号差分阻抗。另一個優點是信号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。信号轉換器在一定的頻率和幅度範圍内傳輸信号，其失真是可以接受的。為了使信号保持在可用的變壓器帶寬内，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号（1或0個長字符）的同時，需要信号處理來傳輸和重構數字信号。NVE/Avago的Isoloop和ADI（模拟設備公司）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是模拟器件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栅傳輸信息。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，它随磁場的作用而變化。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，随着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
電容耦合技術利用不斷變化的電場在隔離層上傳輸信息。每個電容器闆之間的材料是一個介質隔離器，形成一個屏障。闆的尺寸、闆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；後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号和噪聲，信号共享同一個傳輸通道，這與變壓器不同。這要求信号的頻率明顯高于噪聲的預期頻率，以便隔離電容器顯示信号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态信号，需要時鐘編碼的數據。
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使用高信号速率和低信号速率信道進行通信，如圖9所示。高信号率信道不編碼，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，以确保在恒定條件下（長1和0個字符）進行精确通信。 單端邏輯信号的差分傳輸隔離層允許使用低電平信号和小型耦合電容器。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态抗擾度。這是信号電容耦合需要解決的主要問題。
表4：可靠性測量
三個主要标準驗證了隔離保護的必要性，即UL 1577、IEC 60747-5-2和CSA。盡管每個标準略有不同，但它提供了一個比較隔離性能的标準。通過IEC、UL和CSA測試，确認輸入和輸出之間的電壓超過介電擊穿範圍。這些标準的使用非常簡單，因為測試标準與隔離方法無關。圖10顯示了隔離測試如何将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，然後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。這些低效率導緻了整個電介質的最終崩潰。
高轉換率（高頻）瞬變會幹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，允許瞬态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。為了提供瞬态抗擾度，ISO72x系列電容隔離器僅傳輸fo信号（僅代表最高頻率能量的數據信号）。 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号；其中兩個包含低信号率信息，另兩個包含高信号率信息。通過使用差分技術，任何通過隔離屏障的剩餘共模瞬态都可以在真實信号和補償信号中看到，并且差分接收器可以抑制它們。如表2所示，ISO72x系列器件的瞬态抗擾度高達25kV/us，與其他同類器件相當。
數據線電路和數字隔離器需要注意輸入信号和輸出狀态的損失。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。自動保護是指輸入丢失時的确定或已知的輸出狀态。ISO72x系列使用周期性脈沖來确定輸入結構是否通電和工作。如果隔離器輸出在4us後沒有接收到脈沖，則輸出設置為高狀态。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）則明确描述了功率排序過程中輸出的不确定性。
除了隔離層的信号傳輸效率外，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：靜态電源電流
平均失效時間（MTTF）是衡量半導體器件可靠性的标準方法。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确說明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
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 四、電氣隔離結論 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号隔離的選擇，包括TI的ISO72x系列的關鍵功能。如信号速度、介質擊穿電壓、瞬态沖擊電阻、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總結了本報告中讨論的示例的特點。
表6：不同數字隔離器參數 五、常見問題 1電隔離是什麼意思？ 電隔離是将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為什麼電氣隔離很重要？ 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電隔離的類型是什麼？ 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麼？ 隔離變壓器的另一個優點是可以減少電湧。由于電源的直流信号是隔離的，所以電氣設備可以平穩運行而不存在電湧的風險。這意味着即使出現電源故障，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，您将兩根導線（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。 6什麼是隔離PLC？ 過程控制模拟輸入模塊中的隔離。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。 7什麼是電源隔離？ 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，這意味着輸出電壓彼此獨立，并且輸出之間沒有連接。 8隔離器和斷路器的區别是什麼？ 隔離器和斷路器之間的主要區别在于，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為什麼工廠和PLC CPU之間需要隔離？ 這些傳感器通常遠離PLC本身，這意味着電纜敷設較長。這種情況通常會産生地電位差，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确保準确性。 , 更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯! 查看全部
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