如何在高壓系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電源線和信號(hào)線的電流隔離

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

各種高壓應(yīng)用（包括工廠自動(dòng)化和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等工業(yè) 4.0 系統(tǒng)）中存在電源和信號(hào)線時(shí)，需要為設(shè)備和用戶提供強(qiáng)大的保護(hù)。這擴(kuò)展到汽車和電動(dòng)汽車 (EV)、醫(yī)療系統(tǒng)、測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用以及光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施等綠色能源系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)這種保護(hù)，需要某種形式的隔離。

設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是確保隔離機(jī)制緊湊、高效且具有成本效益，同時(shí)支持雙向信號(hào)傳輸和電力傳輸。由于隔離機(jī)制必須確保操作員免受高壓影響并確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行，因此隔離設(shè)備必須符合國際電工委員會(huì) (IEC) 60747-5 和 IEC 60747-17 等標(biāo)準(zhǔn)。

使用光耦合器或變壓器進(jìn)行電流隔離的傳統(tǒng)方法可以滿足 IEC 標(biāo)準(zhǔn)，但在某些應(yīng)用中存在局限性。為了更可靠地滿足設(shè)備和用戶保護(hù)要求，同時(shí)提供雙向信號(hào)傳輸，需要使用電容和磁性技術(shù)進(jìn)行電流隔離。

本文簡要介紹電流隔離。然后，它回顧了 IEC 標(biāo)準(zhǔn)，并研究了如何使用集成電容和磁性技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電流隔離。它介紹了德州儀器 (TI) 的電流[隔離解決方案]示例，適用于包括結(jié)合電容和磁性技術(shù)的通用隔離器等應(yīng)用。還討論了加速設(shè)計(jì)過程的評(píng)估板。

電流隔離的作用

電流隔離可防止電子或電氣系統(tǒng)功能部分之間的電流流動(dòng)，但支持各部分之間模擬和數(shù)字信號(hào)以及電力的傳輸（圖 1）。電流隔離可用于：

• 連接具有不同接地電位的功能部分
• 通過停止共享接地的功能部分之間的電流來打破接地環(huán)路
• 保護(hù)操作員免受高壓部分的電擊危險(xiǎn)

圖 1：電流隔離允許數(shù)據(jù)和/或功率流動(dòng)，但隔離部分之間沒有接地電流。 （圖片來源：德州儀器）

隔離類型和選擇

有多種隔離類型可供選擇，并且管理其使用的國際標(biāo)準(zhǔn)也不同，例如用于磁隔離和電容隔離的 IEC 60747-17 以及用于光耦合器的 IEC 60747-5-5（表 1）。

• 功能或操作隔離可確保系統(tǒng)正常運(yùn)行，但不能保護(hù)用戶免受高電壓的影響。它不屬于安全法規(guī)的范圍。
• 基本隔離是安全法規(guī)中包含的最簡單的隔離形式。它可以保護(hù)用戶免受電擊，但如果發(fā)生故障，用戶仍然可能接觸到高壓。
• 補(bǔ)充隔離在基本隔離之上添加了一層。如果基本隔離失敗，它可以保護(hù)用戶免受高電壓的影響。
• 雙重隔離不是單獨(dú)的隔離類型。它是指同時(shí)使用基本隔離和補(bǔ)充隔離。然而，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)和安全文件都將雙重隔離稱為隔離類型。
• 強(qiáng)化隔離是一種單隔離系統(tǒng)，可提供相當(dāng)于雙重隔離的保護(hù)。增強(qiáng)隔離的性能和測(cè)試要求比基本或補(bǔ)充隔離方法更嚴(yán)格。

表 1：增強(qiáng)隔離的測(cè)試和操作要求比基本隔離更嚴(yán)格。 （表格來源：德州儀器）

雖然光耦合器廣泛用于電流隔離目的，但它們只能用在信號(hào)線上，效率往往較低，只能在一個(gè)方向發(fā)送數(shù)據(jù)，并且有帶寬限制。光耦合器帶寬可以通過添加 LED 驅(qū)動(dòng)電路和放大器來提高，但這會(huì)導(dǎo)致更高的成本和能耗。使用變壓器提供磁隔離可以為電源和高速信號(hào)線提供有效的解決方案，但分立變壓器體積龐大且成本高昂。

為了可靠、更有效地滿足電流隔離的要求，設(shè)計(jì)人員可以采用符合 IEC 隔離標(biāo)準(zhǔn)的集成電容和磁性解決方案。電容隔離器支持模擬信號(hào)和高速雙向數(shù)據(jù)傳輸，但功率傳輸能力有限。集成磁隔離可以支持高速數(shù)據(jù)的雙向傳輸和更高級(jí)別的功率傳輸。

隔離特性

隔離電壓、工作電壓和共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）是隔離器的三個(gè)關(guān)鍵特性。隔離電壓指定隔離器可以短時(shí)間免受危險(xiǎn)電壓影響的最大電壓。工作電壓是隔離器設(shè)計(jì)使用的長期電壓。

CMTI 是施加在兩個(gè)隔離電路之間的公共電壓瞬變的最大轉(zhuǎn)換速率（頻率），可以承受該電壓，并且不會(huì)對(duì)跨隔離柵的數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生不利影響。 CMTI 以千伏每微秒 (kV/μs) 或伏每納秒 (V/ns) 為單位。隔離接地層之間的電容是瞬態(tài)能量穿過勢(shì)壘并破壞數(shù)據(jù)或波形的路徑。高 CMTI 表明系統(tǒng)穩(wěn)健，即使暴露于快速瞬態(tài)事件，兩側(cè)也能在規(guī)格范圍內(nèi)運(yùn)行。低 CMTI 可能會(huì)導(dǎo)致失真、信息丟失、抖動(dòng)和其他信號(hào)完整性問題。 100 V/ns 或更高的 CMTI 表示高性能隔離器。

除了電氣規(guī)格外，隔離器還必須滿足與間隙和爬電距離相關(guān)的機(jī)械要求。間隙是相鄰導(dǎo)體之間通過空氣的距離，而爬電距離是它們之間穿過封裝表面的距離。

各種封裝樣式和尺寸可提供不同級(jí)別的爬電距離和間隙性能。模塑料的選擇以及具有所需介電強(qiáng)度的絕緣體材料的使用也是決定隔離等級(jí)的因素。常用材料的介電強(qiáng)度有：

• 空氣 ≈ 1 伏均方根每微米 (V 有效值 /μm)
• 環(huán)氧樹脂 ≈ 20 V 有效值 /μm
• 二氧化硅填充模塑料 ≈ 100 V 有效值 /μm
• 聚酰亞胺聚合物 ≈ 300 V 有效值 /μm
• 二氧化硅 (SiO2) ≈ 500 V 有效值 /μm

電流隔離技術(shù)

光耦合器使用 LED 通過介電絕緣體將模擬或數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/2800/" target="_blank">光電晶體管。如前所述，它們是單向設(shè)備。光耦合器中使用的常見絕緣材料包括空氣、環(huán)氧樹脂或模制化合物。由于這些材料的介電強(qiáng)度相對(duì)較低，因此 LED 和光電晶體管之間需要更大的物理距離才能實(shí)現(xiàn)給定的隔離級(jí)別。

電容隔離使用 SiO2 絕緣屏障。與大多數(shù)環(huán)氧樹脂或模塑料相比，SiO2 具有高介電強(qiáng)度，并且在暴露于極端溫度的濕氣中時(shí)更加穩(wěn)定。電容隔離使用各種調(diào)制技術(shù)（例如開關(guān)鍵控或相移鍵控）來跨屏障傳輸交流信號(hào)。電容隔離結(jié)構(gòu)緊湊，可以雙向傳輸高速信號(hào)，但功率傳輸能力非常有限，通常<100 微瓦 (μW)。

磁隔離器可以跨隔離柵傳輸信號(hào)和電力。其中一些隔離器可以傳輸數(shù)百毫瓦 (mW) 的功率，并且可以取代次級(jí)側(cè)偏置電源。磁隔離器可以使用空氣芯或鐵氧體芯。鐵氧體磁芯可以承受更大的功率。當(dāng)功率需求低于約 100 mW 時(shí)，空芯可以提供成本更低、更簡單的解決方案。這三種技術(shù)均支持不同的信號(hào)和電力傳輸組合（圖 2）。

圖 2：光耦合器 (A) 只能傳輸信號(hào)，電容隔離器 (B) 可以傳輸有限的功率和信號(hào)，磁隔離器 (C) 可以處理更高的功率水平和信號(hào)。 （圖片來源：德州儀器）

電源和信號(hào)隔離

需要高達(dá) 650 mW 的隔離電源和四個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn) 100 兆比特每秒 (Mbps) 傳輸速率的隔離信號(hào)通道的設(shè)計(jì)人員可以選擇德州儀器 (TI) 的[ISOW7841FDWER]。該通用器件的隔離額定值為 5 kV 均方根 (kV 有效值 )，最小 CMTI 為 ±100 kV/μs。它在信號(hào)通道上使用 SiO2 隔離，并在片上電源變壓器上使用薄膜聚合物隔離（圖 3）。 ISOW7841EVM評(píng)估板可以幫助設(shè)計(jì)人員評(píng)估隔離系統(tǒng)[中]的器件性能并加快上市時(shí)間。

圖 3：ISOW7841FDWER 在電源變壓器（頂部）中使用聚合物絕緣，在信號(hào)鏈（底部）中使用 SiO2 隔離電容器。 （圖片來源：德州儀器）

隔離式汽車 DC/DC

需要 500 mW 和 5 kV有效值隔離的汽車系統(tǒng)可以使用德州儀器 (TI) 的符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)的[UCC12051QDVERQ1] 。它的最小 CMTI 為 100 V/ns，浪涌能力為 10 kV 峰值 ，工作電壓為 1.2 kV 有效值 。它使用內(nèi)部振蕩器的擴(kuò)頻調(diào)制和優(yōu)化的內(nèi)部布局來最大限度地減少輻射發(fā)射。它包括欠壓鎖定、熱關(guān)斷、使能引腳、同步功能，并提供 5.0 或 3.3 伏直流 (VDC) 輸出。

UCC12050EVM [-022]評(píng)估板使設(shè)計(jì)人員能夠測(cè)試啟用/禁用功能、同步到外部時(shí)鐘源、檢測(cè)外部時(shí)鐘故障并選擇輸出電壓。它具有紋波和瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)量的測(cè)試點(diǎn)。該板可以作為支持額定隔離并提供良好電磁干擾 (EMI) 性能的布局示例來簡化系統(tǒng)集成（圖 4）。

圖 4：除了加快 UCC12051QDVERQ1 隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 IC 的評(píng)估之外，UCC12050EVM-022 評(píng)估板還提供了系統(tǒng)集成的建議布局。 （圖片來源：德州儀器）

具有電容隔離功能的 CAN 收發(fā)器

對(duì)于需要具有 1 Mbps 信號(hào)傳輸和 50 kV/μs CMTI 的控制器局域網(wǎng) (CAN) 收發(fā)器的應(yīng)用，德州儀器 (TI) 提供隔離等級(jí)為 5 kV RMS的[ISO1050DWR]和額定隔離等級(jí)為 2.5 kV RMS的ISO1050DUB。這些收發(fā)器符合高速 CAN 操作的 ISO 11898-2 規(guī)范（圖 5）。它們的額定工作溫度范圍為 -55 至 105 攝氏度 (°C)，包括 -27 至 40 伏的過壓、跨線和接地保護(hù)缺失、過熱關(guān)斷以及 -12 至 +12 伏共模范圍。[](https://www.digikey.cn/zh/products/detail/texas-instruments/ISO1050DUB/2231781)

圖 5：隔離式 ISO1050DWR 和 ISO1050DUB 收發(fā)器符合高速 CAN 操作的 ISO 11898-2 標(biāo)準(zhǔn)。 （圖片來源：德州儀器）

[ISO1050EVM]評(píng)估模塊具有輸入和輸出連接以及用于關(guān)鍵性能測(cè)量的測(cè)試點(diǎn)，可以加快這些器件與汽車系統(tǒng)的集成速度。

隔離 RS-485/RS-422 收發(fā)器

需要具有 5 kV RMS隔離的 500 kbps 速率的 RS-485/RS-422 收發(fā)器的系統(tǒng)可以從 Texas Instruments 的半雙工[ISO1410BDWR]或全雙工[ISO1412BDWR]中進(jìn)行選擇（圖 6）。 SiO2 隔離柵在存在較大接地電位差的情況下支持穩(wěn)健的數(shù)據(jù)傳輸。這些收發(fā)器的額定工作溫度范圍為 -40 至 125 °C?？偩€引腳設(shè)計(jì)可承受高水平的靜電放電 (ESD) 和電快速瞬變 (EFT) 事件，無需額外的保護(hù)組件。

圖 6：全雙工 ISO1412BDWR（頂部）和半雙工 ISO1410BDWR（底部）支持 500 kbps 數(shù)據(jù)速率并具有 5 kV有效值隔離（垂直虛線）。 （圖片來源：德州儀器）

設(shè)計(jì)人員可以使用[ISO1410DWEVM]和[ISO1412DWEVM]評(píng)估板來評(píng)估各種系統(tǒng)參數(shù)?？梢詰?yīng)用測(cè)試信號(hào)和序列，并且可以評(píng)估傳播延遲、功耗以及不同總線和驅(qū)動(dòng)器條件等性能特征。

結(jié)論

高壓工業(yè) 4.0、汽車、醫(yī)療、綠色能源和其他系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者需要電流隔離來保護(hù)設(shè)備和用戶，同時(shí)滿足尺寸、成本和可靠性要求以及相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)。如圖所示，電源和信號(hào)線中的電容和磁電隔離可以產(chǎn)生緊湊且高性能的解決方案。這些隔離技術(shù)具有高 CMTI，并滿足 IEC 60747-17 對(duì)增強(qiáng)隔離的要求。