标签: 隔离器

光耦合器隔离器在工业自动化中必不可少，可确保信号传输，同时保护敏感电子设备和人员免受高压影响。选择合适的光耦合器隔离器取决于对操作环境和隔离要求的了解。本文将重点介绍在为工业应用选择光耦合器隔离器时需要考虑的关键因素。 光耦合器隔离器在工业自动化中的作用 在工业环境中，光耦合器隔离器在系统的不同部分之间提供电气隔离。这种隔离可保护低压控制电路免受高压电力电子设备的影响，使光耦合器在以下方面至关重要： PLC ：安全地连接控制信号。 电机驱动器：将控制电路与高压部分隔离。 工业传感器：确保干净的信号传输而不受干扰。 光耦合器隔离器的关键选择标准 ： 隔离电压 隔离电压定义了光耦合器在输入和输出之间可以处理的最大电压。对于大多数工业应用，隔离电压通常为 3kV ，通常需要 UL 或 VDE 等认证。 电流传输比 (CTR) CTR 决定信号传输效率。选择具有稳定 CTR 的光耦合器，通常范围为 50% 至 600% ，具体取决于应用和工作温度。 开关速度 对于简单的开 / 关控制，开关时间较慢（ 10-50µs ）的光耦合器效果很好。高速应用，例如工业通信系统，需要开关时间更快（ <1µs ）的光耦合器。 抗噪性 工业环境通常具有显著的电磁干扰 (EMI) 。具有高共模抑制比 (CMRR) 的光耦合器有助于在嘈杂条件下保持信号完整性。 温度范围 确保光耦合器可以在很宽的温度范围内工作（ -40 ° C 至 85 ° C 或更高），以适应恶劣的工业条件。 工业自动化中的用例 光耦合器隔离器在多种工业应用中至关重要： 电机控制：隔离控制信号以确保电机安全运行。 PLC ：保护低压逻辑电路免受高压执行器的影响。 工业通信：确保在 RS-485 和 CAN 总线系统等嘈杂环境中实现可靠的数据传输。 选择合适的光耦合器隔离器涉及评估隔离电压、 CTR 、开关速度、抗噪性和温度范围。了解应用的特定要求可确保安全可靠的性能，使光耦合器隔离器成为工业自动化系统中不可或缺的一部分。

数字隔离器 已成为光耦合器的一种更优越的替代品，具有尺寸更小、速度更快、功耗更低、集成更简单和可靠性更高等优点。 在 过去，设计工业、医疗和其他隔离系统的工程师在安全隔离方面的选择有限，通常默认使用光耦合器。如今，数字隔离器提供了更先进的解决方案，在性能、紧凑性、能效和成本效益方面均表现出色。选择合适的数字隔离器需要了解三个关键方面：绝缘材料、内部结构和数据传输方法。 使用 隔离主要是为了符合安全标准并减少接地环路的干扰，确保无需直接电气连接即可传输数据。虽然隔离是必要的，但它带来了信号延迟、功耗增加和额外成本等挑战。数字隔离器的目标是在符合安全标准的同时尽量减少这些缺点。 光耦合器是传统的隔离选择，但通常功耗高且数据传输速率有限（通常低于 1Mbps ）。虽然存在更新、更高效的版本，但它们 的成本是较高的 。 十多年前开始商业化的数字隔离器通过使用基于 CMOS 的技术解决了光耦合器的局限性。这些隔离器可大幅降低成本和功耗，同时实现更高的数据传输速度。数字隔离器的有效性取决于其绝缘材料、结构设计和数据传输方法，所有这些因素必须协同工作才能在不影响安全性的情况下保持性能。 绝缘材料： 数字隔离器采用标准半导体材料制造，最常见的是聚酰亚胺和二氧化硅 (SiO2) 等聚合物。这些材料的绝缘性能已得到充分认可，聚酰亚胺作为可靠的高压绝缘体有着悠久的历史。 安全法规通常要求特定的耐压额定值和工作电压。基于聚酰亚胺的数字隔离器与光耦合器非常相似，具有出色的绝缘性能，特别适合需要高可靠性和浪涌保护的应用。聚酰亚胺可以涂在比 SiO2 更厚的层上，从而增强绝缘性能并减少材料应力，从而提高耐用性。 隔离器 结构设计： 在数字隔离器中，数据通过变压器磁性传输或通过电容器电气传输穿过隔离屏障。与使用发光二极管 (LED) 的光耦合器不同，数字隔离器中的变压器通过磁场在次级线圈中感应电流，提供出色的共模瞬变免疫力，并实现更厚的绝缘层以增强隔离。 相比之下，电容器使用电场来传输数据。尽管电容器在高数据速率下更节能，但它们更容易受到共模瞬变的干扰。使用差分电容器对可以缓解此问题，但代价是增加尺寸和成本。 数据传输方法： 光耦合器依靠 LED 传输数据，当 LED 亮起时， LED 会持续消耗电力，从而使其效率降低。然而，数字隔离器使用先进的电路来编码和解码数据，从而实现更快的传输速度和管理 USB 和 I2C 等复杂接口的能力。 数字隔离器中使用的一种方法是将数据边缘编码为驱动变压器的单脉冲或双脉冲。与光耦合器相比，这种方法显著降低了功耗，因为仅在脉冲期间使用功率，而不是连续使用。另一种方法涉及射频调制信号，虽然功耗更大，但在概念上类似于光耦合器中的基于光的传输。 选择最佳数字隔离器： 数字隔离器在尺寸、速度、功耗和用户友好性方面具有众多优势。但是，对于给定应用，最佳数字隔离器取决于绝缘材料、内部结构和数据传输方法的组合。聚酰亚胺基隔离器非常适合医疗和重工业设备等要求严格的应用，这些应用需要强隔离。对于要求不高的情况，基于电容器的隔离器可能就足够了，而采用差分数据传输方法的基于变压器的隔离器可为安全关键应用提供最高级别的性能。

经常有电子工程师网友提出这样的问题，在系统设计中，很困惑的一个问题是，不知如何去选择一个合理的、适用的隔离器。前两天，本刊记者采访了ADI公司数字隔离器产品高级应用工程师周晓奇，他就有关隔离器在电路中的作用、工程师在数字隔离器选型时应该注意哪些步骤等问题，给电子工程师们一个很好的解答。 为什么要用隔离器 隔离器主要是用在隔离高压(危险电路)系统和低压(安全电路)系统之间的电气连接，以保护用户以及电路系统安全，以及隔离敏感电路(比如高精度检测电路)和噪声源(例如大功率开关电源)之间的连接，以减小噪声干扰。 周晓奇说，隔离器的主要结构大致有四种: 一是传统光电耦合; 二是集成式变压器(磁耦合);三是集成式电容耦合; 四是分立式变压器耦合。最常用的是光耦合器，光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管(LED)，使之发出一定波长的光，被光检测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。它的主要优点是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。 随着近几年数据传输的速度不断提升，传统的光耦合器也暴露出一些缺点，例如，整个电路体积大，集成度不高，而且光电耦合器件本身具有易损耗、速度较慢(一般的数据速率低于1Mbps)、耗电量大等缺点，特别是在温度和老化变化过程中的性能极不稳定，为其应用带来局限，特别是在工业应用中这些问题就比较突出。为了克服光电隔离技术的诸多缺点，许多半导体公司开始研发不发光的隔离器解决方案。周晓奇告诉记者，ADI公司是最早一家推出新型数字隔离器解决方案的公司，并于2001年率先推出基于其专有iCoupler磁耦隔离技术的标准数字隔离产品。 新型数字隔离器 周晓奇介绍说，iCoupler 技术是基于芯片尺寸的变压器，每个iCoupler通道都由两部分组成：CMOS接口电路和芯片级变压器。而iCoupler隔离变压器的核心正是这个能够穿越隔离阻障并发射与接收信号的平面变压器，它们不仅能够提供隔离，而且消除了光耦合器中光电转换的缺点，包括功耗过大、较大的时序误差和数据速率受限等。事实上，由于无需驱动LED 的外部电路，iCoupler数字隔离器功耗仅为光电耦合器的1／10～1／50。 iCoupler隔离变压器可实现数千伏(5000V) 的隔离，其高耐压的关键在于发送和接收变压器的顶层和底层线圈之间，采用厚达20 μm 的聚酰亚胺材料作为隔离层，在4 mm×4 mm芯片上集成了4个变压器(图1)。周晓奇说，这种新型数字隔离器的优势主要体现在：一，传输速度更快，远高于传统光耦，高达150 Mbps。二，静态/动态电流更小。三，寿命更长，在耐高压和耐击穿的使用范围内寿命甚至可达50年。四，可以集成标准CMOS工艺下的其他功能。五是可以在芯片内部实现隔离电源，并具有更小的体积和厚度。 iCoupler隔离器的工作原理是，当数字隔离器的输入端接收到信号的上升沿或者下降沿时，会将这些信号编码成双脉冲或者单脉冲，并通过集成变压器传递到另一侧。同时通过解码器将这些脉冲信号还原成和输入信号相同的波形。与此同时，iCoupler数字隔离器还集成了看门狗电路，当信号长时间不发生变化时，输入侧的更新电路也会定时发出相应的脉冲信号到输出端，如果输出端的看门狗电路长时间没有收到任何信号，会认为输入端进入异常状态，此时，输出端的输出信号会回到预先设定的默认值(图2)。 周晓奇表示，从2001年，ADI推出第一款iCoupler隔离器产品，现已有10大系列、100多个种类，是目前业界种类最齐全的隔离器产品，包括标准数字隔离器、采用iso Power的数字隔离器、集成PWM控制器和变压器驱动器的数字隔离器、USB 2.0兼容型隔离器、隔离式门驱动器、隔离式I2C数字隔离器、隔离式RS-485收发器、隔离式RS-232器件和隔离式Σ-Δ型ADC等。可以说，几乎任何应用都可以找到一款合适的iCoupler产品来满足您的设计需求。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 应用案例 采访中，周晓奇还特别列举了两个iCoupler数字隔离器应用的成功案例。 一是，2012年，ADI为西门子航空航天业务集团的PowerSCOE系统提供了其高度集成的iCoupler数字隔离解决方案。作为一个先进的卫星电源保护系统，当卫星出现异常时，它能在几微秒内关闭卫星中的数千瓦电源。西门子航空航天业务集团设计该系统时还考虑到其它技术，如智能电网电力监控等，但由于每个通道都包含辅助模拟输入及数字和模拟输出，因此最大的挑战是要确保100个通道彼此隔离。PCB上有100多路模拟和数字I/O。面对如此高的PC B密度，传统的光耦合器和DC/DC转换器解决方案已无能为力。最终ADI高度集成的iCoupler数字隔离器卓越的性能表现获得了西门子的信赖，也再次验证了iCoupler技术的领先优势。 二是，客户利用ADI的iCoupler和isoPOWER技术带有集成隔离电源的数字隔离器，设计了非常小型化USB接口的工业级别的传感器系列。这也得益于ADI的iCoupler系列产品，该系列传感器的外观非常紧凑(使用分立方案无法做到如此小的体积)，并且功耗非常低( 可以使用USB直接供电而不需要外部电源)。这个设计在使设备极小的同时，保证了足够的隔离强度，以保护现场工作人员的安全。 数字隔离器选型步骤 如何在设计中选择合理和适用的数字隔离器，周晓奇给电子工程师们提出了几点建议： 一．要了解自己的应用中的隔离强度需求： A. 实际应用中的工作电压为多少？什么样的电网条件？(220V民用电网/工业用电网) B. 实际的应用环境是怎样的？(海拔高度/湿度条件/温度条件) C. 在该应用中采取的隔离保护级别是怎样的？保护对象是怎样的类型？(功能性隔离/基本安全隔离/增强型安全隔离) D. 该应用应该符合哪个具体国际安全规范？ 二．了解自己对隔离器工作速度和接口的要求： A.在该应用中的最高速率是多少？ B.一个封装中需要多少个通道？ C. 在该应用中的时序要求，例如信号延迟的要求。 D. 是否需要集成其他功能(I2C/USB/RS-485/集成隔离电源)。 三．价格(每通道价格)。 四．在选择好数字隔离器后，在PCB布板时仍然要谨慎考虑耐高压的安规需求。 隔离器未来的技术挑战 隔离器未来的技术发展还将解决哪些技术上的关键问题，周晓奇认为，主要需解决以下几个方面的问题：1．更高的隔离电压需求；2．更高的传输速度；3．更多样化的接口和集成功能；4．寿命更长和更小的体积、更先进的封装技术。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载