電流隔離柵

 

電流隔離是通過防止電壓和接地之間產生電流來分隔電路的行為。以下是從兩條或多條電路之間的直接連接形成的電流（圖 1）。

 

圖 1：從工業機器人特寫照片可以看到控製、電機驅動和電源部分的隔離要求，以及這些區域之間的通信。（圖片來源：Texas Instruments）

 

在存在電流隔離情況下，沒有直接的傳導路徑。此類型電路的好處在於，可通過使用光場、磁(ci)場(chang)或(huo)電(dian)場(chang)，利(li)用(yong)電(dian)流(liu)隔(ge)離(li)柵(zha)交(jiao)換(huan)模(mo)擬(ni)或(huo)數(shu)字(zi)信(xin)息(xi)。這(zhe)些(xie)場(chang)打(da)開(kai)了(le)很(hen)多(duo)門(men)。通(tong)過(guo)其(qi)中(zhong)的(de)一(yi)個(ge)門(men)
，多(duo)個(ge)係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)在(zai)不(bu)同(tong)的(de)接(jie)地(di)和(he)電(dian)壓(ya)電(dian)位(wei)下(xia)安(an)全(quan)
、正確地運行。它們還可以交換模擬或數字信息，而不會在過程中相互幹擾或破壞。

 

為了解決這些問題，設計人員需要為多係統電路找到合適的電流隔離技術。選擇有光學（LED，光電二極管）
、電氣（電容器）或磁性（電感器）解決方案。在本文中，所有隔離柵都在矽或半導體封裝的某個部分中實現（圖 2）。

 

圖 2：光耦合需要一個 LED 和光電二極管。電感耦合需要兩個由隔離器隔開的繞組。電容耦合需要兩個由隔離器隔開的導體。（圖片來源：Texas Instruments）

 

光學隔離

 

光學隔離依賴於傳輸光線的 LED 和接收光線的光電檢測器之間的分離。對於電流隔離，LED 通過隔離材料（如透明聚酰亞胺）對準光電二極管。

 

圖 3：光耦合器包含一個發射器 (LED) 和一個光電二極管（接收器），使用環氧樹脂黏著到引線框架
，二者之間的透明聚酰亞胺提供隔離柵。（圖片來源：Texas Instruments）

 

光隔離的優勢是不受電場和磁場的影響。但是

，LED 在其使用壽命內會老化。

 

光隔離柵模擬信號應用

光隔離設備的隔離柵能夠傳輸模擬或數字信號。Vishay Semiconductor Opto Division IL300 線性光耦合器是一種線性光隔離器件，封裝內部有一個 LED 和兩個光電二極管
，所有元件之間彼此實現電隔離。在 IL300 芯片中，LED 光均勻照射在兩個光電二極管上，以產生同等的電流（IP1 和 IP2）（圖 4）。

 

圖 4：IL300 LED 和光電二極管 1 (IP1) 位於隔離柵的左側。光電二極管 2 (IP2) 位於隔離柵的右側。（圖片來源：Vishay Semiconductor Opto Division）

 

在圖 4 中，U1 放大器（Texas Instruments，TLV9064IDR）驅動 IL300 LED 以產生反饋光電二極管電流 (IP1)。前饋光電二極管電流 (IP2) 通過隔離式 R2 電阻器發送，該電阻器位於隔離式 U2 放大器的反饋環路中。在此電路中，增益等於 R2/R1。另外，Vout 信號不受 VCC1 相對 VCC2 的變化和兩個接地的影響。

 

LED 亮度隨時間的推移會降低。但是
，圖 4 中的係統不依賴於 LED 的亮度水平；它隻要求 LED 打開。LED 光線由兩個光電二極管平均地捕獲。要將 IL300 應用於圖 1 中的框圖，人機接口 (HMI) 與機器人控製器之間的位置可能較為適合。

 

光隔離柵的數字信號應用

 

光耦合器的另一個應用是將設備用作數字發射器。Vishay Semiconductor Opto Division 的 SFH6750-X007T 雙通道光耦合器和 QT Brightek 的 QTM601T1 單通道光耦合器是高速光耦合器，采用開漏 NMOS 晶體管輸出，可輕鬆隔離模數轉換器 (ADC) 的三通道數字輸出（圖 5）。

 

圖 5：SFH6750 雙通道隔離耦合器和 QTM601T1 單通道隔離耦合器構成了隔離 24 位 ΔΣ ADC 的隔離柵。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

 

在圖 5 中，一個 24 位三角積分 (ΔƩ) 轉換器的串行輸出代碼從電路的隔離側傳輸到係統側。SFH6750 在數字域中以光學方式完成此傳輸。

 

SFH6750 和 QTM601T1 配置提供高達 10 兆波特率 (MBd) 的傳輸速度，因而適合高速數據應用。從圖 1 的框圖中可以看出，ADC 接口可能適合放置於人機接口 (HMI) 與機器人控製器之間。

 

電感隔離

 

電dian感gan隔ge離li采cai用yong兩liang個ge上shang下xia堆dui疊die的de線xian圈quan，線xian圈quan之zhi間jian通tong過guo介jie電dian材cai料liao隔ge離li開kai來lai。施shi加jia交jiao流liu信xin號hao後hou會hui產chan生sheng一yi個ge磁ci場chang，進jin而er在zai次ci級ji線xian圈quan中zhong產chan生sheng一yi個ge電dian場chang（圖 6）。

 

圖 6：變壓器配置結構包括采用聚酰亞胺分離開來的兩個繞組。（圖片來源：Analog Devices）

 

電感隔離非常有效。但是，它也容易受到磁場的影響。

 

電感線圈型隔離柵的電源應用

 

磁性隔離柵適用於模擬和電源隔離應用。作為電源轉換器，Analog Devices 的 ADP1621ARMZ-R7 隔離式升壓 DC-DC 控製器的電感器和外部電源 FET 在 圖 7 中分別為 T1 和 Q3。

 

圖 7：使用 ADuM3190 磁性隔離放大器和 ADP1621 升壓 DC-DC 切換控製器的參考設計。（圖片來源：Analog Devices）

 

在圖 7 中
，Analog Devices ADUM3190ARQZ-RL7 高穩定度線性隔離式誤差放大器提供了從 T1 的次級側到初級側的模擬反饋信號。整個電路的工作電壓為 5 V 到 24 V，適用於標準工業電源。

 

電容隔離

 

電容隔離元件的構造包括緊密相鄰的兩塊電容板
，兩板之間夾有電介質。二氧化矽 (SiO2) 材料可植入電容板之間
，以產生這種隔離能力。在此配置中
，SiO2 的擊穿電壓為 500 - 800 V/微米 (µm)。此類隔離器的典型距離為 27 µm，因此隔離柵隔離能力為 13.5 kV 至 21.6 kV（圖 8）。

 

圖 8：電容板之間的電介質是二氧化矽 (SiO2)
，可提供 500 - 800 V/µm 的隔離保護。（圖片來源：Texas Instruments）

 

電容隔離最適合於小空間應用。然而
，其周邊電路比光學和磁性解決方案更為複雜。

 

電容隔離柵的模擬應用

 

典型的電容模擬隔離器如 Texas Instruments AMC1301DWVRQ1 或 AMC1311DWV，接收模擬信號
，將信號調製為數字表示，然後通過隔離柵傳輸數字化信號（圖 9）。

 

圖 9：AMC1311DWV 電容式全差分模擬隔離器通過隔離柵傳輸二階三角積分 (ΔƩ) 調製器信號。（圖片來源：Texas Instruments）

 

在隔離柵的接收器側，信號被解調回差分輸出模擬信號。

 

電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)環(huan)境(jing)中(zhong)的(de)電(dian)感(gan)負(fu)載(zai)易(yi)受(shou)高(gao)開(kai)關(guan)電(dian)壓(ya)擺(bai)動(dong)的(de)影(ying)響(xiang)。為(wei)確(que)保(bao)正(zheng)常(chang)運(yun)行(xing)
，需(xu)要(yao)不(bu)斷(duan)監(jian)控(kong)此(ci)頻(pin)繁(fan)變(bian)化(hua)的(de)環(huan)境(jing)。使(shi)用(yong)電(dian)阻(zu)分(fen)壓(ya)器(qi)降(jiang)低(di)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)高(gao)共(gong)模(mo)電(dian)壓(ya)的(de)隔(ge)離(li)電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)，就(jiu)是(shi)相(xiang)應(ying)的(de) AMC1301 和 AMC1311 隔離放大器電機控製應用（圖 10）。

 

圖 10：AMC1301 檢測電感電橋的 FET 電流。AMC1311 可感測變頻器中的直流總線電壓。（圖片來源：Texas Instruments）

 

在圖 10 中，通過分流電阻器 RSHUNT 和 AMC1301 隔離式放大器實現相電流測量。憑借高阻抗輸入和高共模瞬態抗擾度
，AMC1311 可感測偏置電壓 VBIAS
，從而實現係統配置的穩定讀取。即使在高噪聲環境下，AMC1311 也能確保可靠性和準確度
，例如電機驅動器中所用變頻器的功率級讀取。

 

AMC1301 和 AMC1311 均可抗電磁幹擾，並具有高達 7 kVPEAK 的電流隔離能力。當與隔離式電源配合使用時
，AMC1301 和 AMC1311 可防止高共模電壓線路的噪聲電流進入本地接地，以免幹擾或損壞敏感電路。

 

電容隔離柵的數字應用

 

在準備將直流信號傳輸至輸出引腳的過程中，典型電容式數字隔離器接收數字信號，將信號調製為適當的交流信號，然後發送至解調器（圖 11）。

 

圖 11：電容式數字隔離器需要將高直流輸入調製為交流信號。交流信號穿過隔離柵並解調回高直流值。（圖片來源：Silicon Labs）

 

在圖 11 中(zhong)
，隻(zhi)要(yao)傳(chuan)輸(shu)信(xin)號(hao)保(bao)持(chi)高(gao)電(dian)平(ping)，就(jiu)可(ke)以(yi)在(zai)接(jie)收(shou)器(qi)側(ce)生(sheng)成(cheng)高(gao)電(dian)平(ping)數(shu)字(zi)傳(chuan)輸(shu)信(xin)號(hao)。此(ci)邏(luo)輯(ji)中(zhong)的(de)衝(chong)突(tu)是(shi)，如(ru)果(guo)電(dian)荷(he)從(cong)電(dian)容(rong)板(ban)上(shang)消(xiao)散(san)，或(huo)者(zhe)如(ru)果(guo)接(jie)收(shou)器(qi)端(duan)出(chu)現(xian)電(dian)源(yuan)中(zhong)斷(duan)，輸(shu)入(ru)狀(zhuang)態(tai)為(wei)高(gao)電(dian)平(ping)時(shi)，輸(shu)出(chu)可(ke)能(neng)會(hui)變(bian)為(wei)零(ling)。如(ru)果(guo)發(fa)生(sheng)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)，接(jie)收(shou)器(qi)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)高(gao)電(dian)平(ping)狀(zhuang)態(tai)會(hui)丟(diu)失(shi)。為(wei)了(le)解(jie)決(jue)此(ci)問(wen)題(ti)
，調(tiao)製(zhi)器(qi)為(wei)數(shu)字(zi)“0”創建單個低電壓，並為數字“1”創建一個快速交流軌至軌信號（圖 12）。

 

圖 12：當輸入代碼為“1”時，數字電容隔離器通過隔離柵發送交流信號。當輸入代碼為“0”時，不需要發送此交流信號。（圖片來源：Silicon Labs）

 

一個電容式數字隔離實例就是，使用 Silicon Labs SI8422 和 SI8423 數字耦合器連接微控製器和 ADC 之間的數字線路（圖 13）。

 

圖 13：四通道隔離式 SPI 接口，其中三個通道從左向右發送信號，一個通道從右向左發送信號。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

 

電容式數字設備消耗的功率較低，同時提供高數據速率和低傳播延遲。兩款器件均支持高達 150 兆位/秒 (Mbits/s) 的數據速率。

 

總結

 

在工業自動化應用中多係統存在處理模擬和數字傳輸信號的困難，光學
、磁性和電容電隔離柵可應對這些挑戰。通過組合使用這三種硬件技術和兩種信號傳輸技術，可實現適合的工業自動化解決方案。

 

 

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