【導(dǎo)讀】在工業(yè)自動化應(yīng)用中可連接多個系統(tǒng)，這樣做有很多好處，但是當(dāng)這些系統(tǒng)之間存在高壓差時，設(shè)計人員就需要管理電壓不一致問題，其中包括系統(tǒng)接地的較大壓差。解決這些模擬和數(shù)字電流隔離挑戰(zhàn)的硬件技術(shù)包括光學(xué)、磁性和電容隔離柵。要隔離的傳輸信號類型包括模擬信號、電源信號和數(shù)字信號。本文將介紹適合的工業(yè)電壓隔離解決方案及其應(yīng)用。
電流隔離柵
電流隔離是通過防止電壓和接地之間產(chǎn)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(yè)機(jī)器人特寫照片可以看到控制、電機(jī)驅(qū)動和電源部分的隔離要求，以及這些區(qū)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(dǎo)路徑。此類型電路的好處在于，可通過使用光場、磁場或電場，利用電流隔離柵交換模擬或數(shù)字信息。這些場打開了很多門。通過其中的一個門，多個系統(tǒng)可以在不同的接地和電壓電位下安全、正確地運(yùn)行。它們還可以交換模擬或數(shù)字信息，而不會在過程中相互干擾或破壞。
為了解決這些問題，設(shè)計人員需要為多系統(tǒng)電路找到合適的電流隔離技術(shù)。選擇有光學(xué)（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，所有隔離柵都在硅或半導(dǎo)體封裝的某個部分中實現(xiàn)（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(dǎo)體。（圖片來源：Texas Instruments）
光學(xué)隔離
光學(xué)隔離依賴于傳輸光線的 LED 和接收光線的光電檢測器之間的分離。對于電流隔離，LED 通過隔離材料（如透明聚酰亞胺）對準(zhǔn)光電二極管。
圖 3：光耦合器包含一個發(fā)射器 (LED) 和一個光電二極管（接收器），使用環(huán)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(yōu)勢是不受電場和磁場的影響。但是，LED 在其使用壽命內(nèi)會老化。
光隔離柵模擬信號應(yīng)用
光隔離設(shè)備的隔離柵能夠傳輸模擬或數(shù)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(nèi)部有一個 LED 和兩個光電二極管，所有元件之間彼此實現(xiàn)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(chǎn)生同等的電流（IP1 和 IP2）（圖 4）。
圖 4：IL300 LED 和光電二極管 1 (IP1) 位于隔離柵的左側(cè)。光電二極管 2 (IP2) 位于隔離柵的右側(cè)。（圖片來源：Vishay Semiconductor Opto Division）
在圖 4 中，U1 放大器（Texas Instruments，TLV9064IDR）驅(qū)動 IL300 LED 以產(chǎn)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(fā)送，該電阻器位于隔離式 U2 放大器的反饋環(huán)路中。在此電路中，增益等于 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 中的系統(tǒng)不依賴于 LED 的亮度水平；它只要求 LED 打開。LED 光線由兩個光電二極管平均地捕獲。要將 IL300 應(yīng)用于圖 1 中的框圖，人機(jī)接口 (HMI) 與機(jī)器人控制器之間的位置可能較為適合。
光隔離柵的數(shù)字信號應(yīng)用
光耦合器的另一個應(yīng)用是將設(shè)備用作數(shù)字發(fā)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，可輕松隔離模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的三通道數(shù)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(gòu)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 (Δ?) 轉(zhuǎn)換器的串行輸出代碼從電路的隔離側(cè)傳輸?shù)较到y(tǒng)側(cè)。SFH6750 在數(shù)字域中以光學(xué)方式完成此傳輸。
SFH6750 和 QTM601T1 配置提供高達(dá) 10 兆波特率 (MBd) 的傳輸速度，因而適合高速數(shù)據(jù)應(yīng)用。從圖 1 的框圖中可以看出，ADC 接口可能適合放置于人機(jī)接口 (HMI) 與機(jī)器人控制器之間。
電感隔離
電感隔離采用兩個上下堆疊的線圈，線圈之間通過介電材料隔離開來。施加交流信號后會產(chǎn)生一個磁場，進(jìn)而在次級線圈中產(chǎn)生一個電場（圖 6）。
圖 6：變壓器配置結(jié)構(gòu)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(yīng)用
磁性隔離柵適用于模擬和電源隔離應(yīng)用。作為電源轉(zhuǎn)換器，Analog Devices 的 ADP1621ARMZ-R7 隔離式升壓 DC-DC 控制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 切換控制器的參考設(shè)計。（圖片來源：Analog Devices）
在圖 7 中，Analog Devices ADUM3190ARQZ-RL7 高穩(wěn)定度線性隔離式誤差放大器提供了從 T1 的次級側(cè)到初級側(cè)的模擬反饋信號。整個電路的工作電壓為 5 V 到 24 V，適用于標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電源。
電容隔離
電容隔離元件的構(gòu)造包括緊密相鄰的兩塊電容板，兩板之間夾有電介質(zhì)。二氧化硅 (SiO2) 材料可植入電容板之間，以產(chǎn)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(zhì)是二氧化硅 (SiO2)，可提供 500 - 800 V/µm 的隔離保護(hù)。（圖片來源：Texas Instruments）
電容隔離最適合于小空間應(yīng)用。然而，其周邊電路比光學(xué)和磁性解決方案更為復(fù)雜。
電容隔離柵的模擬應(yīng)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(diào)制為數(shù)字表示，然后通過隔離柵傳輸數(shù)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 (Δ?) 調(diào)制器信號。（圖片來源：Texas Instruments）
在隔離柵的接收器側(cè)，信號被解調(diào)回差分輸出模擬信號。
電機(jī)控制環(huán)境中的電感負(fù)載易受高開關(guān)電壓擺動的影響。為確保正常運(yùn)行，需要不斷監(jiān)控此頻繁變化的環(huán)境。使用電阻分壓器降低電機(jī)驅(qū)動電路中的高共模電壓的隔離電壓檢測，就是相應(yīng)的 AMC1301 和 AMC1311 隔離放大器電機(jī)控制應(yīng)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(xiàn)相電流測量。憑借高阻抗輸入和高共模瞬態(tài)抗擾度，AMC1311 可感測偏置電壓 VBIAS，從而實現(xiàn)系統(tǒng)配置的穩(wěn)定讀取。即使在高噪聲環(huán)境下，AMC1311 也能確?？煽啃院蜏?zhǔn)確度，例如電機(jī)驅(qū)動器中所用變頻器的功率級讀取。
AMC1301 和 AMC1311 均可抗電磁干擾，并具有高達(dá) 7 kVPEAK 的電流隔離能力。當(dāng)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(jìn)入本地接地，以免干擾或損壞敏感電路。
電容隔離柵的數(shù)字應(yīng)用
在準(zhǔn)備將直流信號傳輸至輸出引腳的過程中，典型電容式數(shù)字隔離器接收數(shù)字信號，將信號調(diào)制為適當(dāng)?shù)慕涣餍盘?，然后發(fā)送至解調(diào)器（圖 11）。
圖 11：電容式數(shù)字隔離器需要將高直流輸入調(diào)制為交流信號。交流信號穿過隔離柵并解調(diào)回高直流值。（圖片來源：Silicon Labs）
在圖 11 中，只要傳輸信號保持高電平，就可以在接收器側(cè)生成高電平數(shù)字傳輸信號。此邏輯中的沖突是，如果電荷從電容板上消散，或者如果接收器端出現(xiàn)電源中斷，輸入狀態(tài)為高電平時，輸出可能會變?yōu)榱?。如果發(fā)生這種情況，接收器數(shù)字信號高電平狀態(tài)會丟失。為了解決此問題，調(diào)制器為數(shù)字“0”創(chuàng)建單個低電壓，并為數(shù)字“1”創(chuàng)建一個快速交流軌至軌信號（圖 12）。
圖 12：當(dāng)輸入代碼為“1”時，數(shù)字電容隔離器通過隔離柵發(fā)送交流信號。當(dāng)輸入代碼為“0”時，不需要發(fā)送此交流信號。（圖片來源：Silicon Labs）
一個電容式數(shù)字隔離實例就是，使用 Silicon Labs SI8422 和 SI8423 數(shù)字耦合器連接微控制器和 ADC 之間的數(shù)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(fā)送信號，一個通道從右向左發(fā)送信號。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
電容式數(shù)字設(shè)備消耗的功率較低，同時提供高數(shù)據(jù)速率和低傳播延遲。兩款器件均支持高達(dá) 150 兆位/秒 (Mbits/s) 的數(shù)據(jù)速率。
總結(jié)
在工業(yè)自動化應(yīng)用中多系統(tǒng)存在處理模擬和數(shù)字傳輸信號的困難，光學(xué)、磁性和電容電隔離柵可應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。通過組合使用這三種硬件技術(shù)和兩種信號傳輸技術(shù)，可實現(xiàn)適合的工業(yè)自動化解決方案。
推薦閱讀：
