隔离耦合技能保护了低电压电路免受高电压故障影响,又能中断接地回路来保持旗子暗记完全性,从而实现不同电压域之间的通信,是电子电路的一项关键技能。
引入隔离耦合,提高电路可靠性
隔离耦合技能的实质是通过不同的耦合技能分隔不同的电气系统,从而防止这些部分产生直流电流和有害的互换电流的同时仍许可旗子暗记和电源传输,保障全体电气系统的稳定传输,并提高全体电气系统的可靠性。详细的技能路线可能不尽相同,光耦路线、容耦路线、磁耦路线都能实现隔离,但目的都是同等的、

详细来说,隔离耦合技能须要应对的电路难题有三类,其一自然是安全问题,尤其是在高压系统中。其二是为理解决接地回路可能导致的通信子系统之间连接的中断,接地回路的高电压差会导致两个通信系统间数据通信涌现缺点。其三则是为了降落接地环路的噪声,提高电路抗噪性,接地环路中的噪声既来自外部环境,也来自内部瞬态行为,抑制这些滋扰能有效提高电路可靠性。
两个非常范例的隔离耦合运用处景,一个是汽车电子,一个是工业自动化。工业场景中的高压电源是必须隔离起来的,否则这些高压浪涌带来的毁坏风险太大,轻则破坏现场设备,重则造成职员安全问题。而大量工业设备之间相互干联,涉及很多通信和掌握信息的交流,为了确保各系统之间不受滋扰稳定可靠地运行,隔离耦合技能在个中运用得非常广泛。
汽车电子系统和工业自动化系统类似,尤其是现在汽车电气平台正在向更高的电压等级发展趋势下,隔离的运用变得更加主要。汽车电子系统中有很多敏感电子元器件和快速瞬变高压组件,这些组件须要在隔离的环境中才能担保整车EV系统的可靠性和安全性,对付电机效率、电源效率的提升也能作出贡献。
光耦合隔离技能路线
光耦合隔离技能路线,一度是隔离技能路线上的主导技能,它以光为媒介传输电旗子暗记,有着体积小、寿命长、无触点,具备抗滋扰能力强、输出和输入之间绝缘、单向传输旗子暗记等优点。光耦合隔离可以将输入端隔离,使得输出端与输入端完备没有电气联系,避免了旗子暗记间的滋扰和相互滋扰的问题,保护输入端和输出真个安全性。
但随着隔离技能的不断发展,由于光耦利用的绝缘材料电介质强度都偏低,高等别的隔离需求下只能通过在器件内做更多的物理分割来增强其隔离等级,即便如此在绝大部分情形下它能达到的CMTI也小于容耦和磁耦,以是很多须要增强型隔离的场景不再考虑光耦。
但这也绝不是说光耦逐渐在失落去隔离市场,作为技能成熟度很高的隔离手段,光耦有着目前还无法取代的两大上风。其一是厚绝缘层的耐压上风,虽然CMTI无法做到很高,但是耐压上风明显,在须要高耐压的隔离运用里光耦的地位很稳定。另一个则是高数据速率,由于以光为媒介传输电旗子暗记。以是在这一点上光耦的上风也一贯保持得很好,如果设计中可以再捐躯一部分CMTI和功耗,光耦还能将数据速率做得更高,这就看运用处景的取舍了。
电容耦合隔离技能路线
另一条技能路线,是电容耦合隔离技能。电容这类元器件,大家都非常熟习,在任何电路中都有着不少运用。电容天生就能阻断直流旗子暗记,因此电容隔离技能基于穿过电介质的互换旗子暗记传输可以利用更高阶调制等方案。因此在数字隔离器兴起后,很多厂商都通过该技能路线开辟出了一条隔离路线,如TI、Silicon Labs和纳芯微等,这些厂商都在容耦路线上开拓出了独特的隔离方案。
电容耦合隔离技能能实现高阶调制,有着寿命长、功耗低优点。而且由于容耦采取片上电容事理进行旗子暗记的隔离传输,以是其传输速率也是很高的,延迟也能做到很低。而且利用电容的频旗子暗记调制解调其抗EMI性能也很不错。
除此之外,作为几种技能路线中内部绝缘厚度最小的技能,基于二氧化硅的容耦比基于聚酰亚胺的磁耦厚度小了靠近10µm,这既是优点也是缺陷。缺陷就在于,绝缘厚度的限定,可能给容耦带来浪涌保护能力会比较有限的问题,在高压系统里这一点会更明显。当然,目前也有很多对策来尽可能降落容耦隔离的毛病,比如通过多层电容和多层钝化方法来提高容耦在高压浪涌上的可靠性。
这条技能路线上海内厂商纳芯微非常具有代表性,其Adaptive OOK的旗子暗记调制技能,在EMI辐射,误码率上性能很突出,同时还能有效提高隔离器件抗共模噪声(CMTI)的能力,在环球市场竞争中非常有竞争力。
磁耦合隔离技能路线
数字隔离技能另一大方向,磁耦合隔离,也是数字隔离常常采取的一个方案。磁耦通过磁场进行能量通报将旗子暗记进行隔离传输,利用变压器事理,在另一个线圈天生感应电流,形成隔离前真个电流变革通过线圈引起隔离另一侧的电流变革。
磁耦合隔离技能最明显的上风是能够改进传输延迟和延迟偏差,这是其他隔离技能没办法实现的。在高频DC/DC电源转换中,险些都会利用这种方案来发送高频旗子暗记并实现隔离,既能传输数百毫瓦的功率,还无需次级侧偏置电源。
但其缺陷在于,磁耦中的变压器本身便是辐射源,在EMI滋扰上不可避免地会更严重一些。而且由于其能实现的功能,本钱也相对较高。
这条路线上最著名的莫过于ADI的 iCoupler技能,ADI利用iCoupler技能实现了很多难以实施隔离的设计。
小结
随着工业和汽车运用的兴起以及宽带隙半导体的遍及,数字隔离技能可以发挥的空间越来越大。以容耦和磁耦为代表的隔离技能,也在隔离技能的竞争中霸占更多席位。当然,在低本钱的运用中,光耦仍旧是性价比很高的选择。