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一文讀懂,數(shù)字隔離芯片如何實現(xiàn)電氣隔離?

jf_39040353 ? 來源:jf_39040353 ? 作者:jf_39040353 ? 2025-01-15 09:59 ? 次閱讀

數(shù)字隔離芯片是現(xiàn)代電氣工程師在進行電路設(shè)計時所必須考慮的一種電子元件,主要用于保護低壓控制電路中敏感電子設(shè)備的穩(wěn)定運行與操作人員的人身安全。其不僅能隔離兩個或多個高低壓回路之間的電氣聯(lián)系,還能防止漏電流、共模噪聲與浪涌等干擾信號的傳播,有效增強電路間信號傳輸?shù)目垢蓴_能力,同時提升電子系統(tǒng)的電磁兼容性與通信穩(wěn)定性。

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容耦隔離芯片的典型應(yīng)用原理圖

值得一提的是,在電子電路中引入隔離措施會帶來傳輸延遲、功耗增加、成本增加與尺寸增加等問題,而數(shù)字隔離芯片的目標(biāo)就是盡可能消除這些不利影響,同時滿足安全法規(guī)的要求。

不同類型的隔離芯片,如何實現(xiàn)電氣隔離?

從如何實現(xiàn)電氣隔離功能的角度上看,隔離芯片可以分為容耦隔離芯片、磁耦隔離芯片和光耦隔離芯片三大類,其中容耦隔離芯片和和磁耦隔離芯片屬于新型的數(shù)字隔離芯片。

容耦隔離是一種基于電容通高頻阻低頻的原理來實現(xiàn)信號傳輸與電氣隔離的技術(shù)。

在信號輸入階段,來自MCU的電信號首先經(jīng)過編碼和調(diào)制電路,被轉(zhuǎn)換為高頻載波信號。通常采用開關(guān)鍵控(OOK)調(diào)制方式,例如,在 OOK 調(diào)制方式中,當(dāng)輸入信號為高電平時,發(fā)送高頻載波信號;當(dāng)輸入信號為低電平時,不發(fā)送信號。

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容耦隔離芯片的結(jié)構(gòu)簡示圖

在信號傳輸階段,調(diào)制后的高頻信號通過芯片內(nèi)部的隔離電容傳輸?shù)捷敵龆?。由于電容具有隔直流通交流的特性,所以可以有效地阻斷直流分量和低頻干擾信號,只允許高頻調(diào)制信號通過。

在信號接收階段,接收到的高頻信號首先經(jīng)過前置放大器進行放大和預(yù)處理,然后進入解調(diào)器進行解調(diào)。解調(diào)器根據(jù)調(diào)制方式的不同,采用相應(yīng)的解調(diào)算法將高頻信號還原為原始的數(shù)字信號。例如,對于 OOK 調(diào)制信號,解調(diào)器通過檢測信號的有無來恢復(fù)出原始的數(shù)字信號。最后,經(jīng)過解碼電路將解調(diào)后的信號轉(zhuǎn)換為與輸入信號邏輯對應(yīng)的電信號輸出。

磁耦隔離是一種采用電磁感應(yīng)原理來實現(xiàn)信號傳輸與電氣隔離的技術(shù)。

在信號輸入階段,來自MCU的電信號會經(jīng)過驅(qū)動電路的處理轉(zhuǎn)換為1ns的脈沖信號,當(dāng)輸入信號發(fā)生變化時,如從低電平變?yōu)楦唠娖交蚍粗酒瑫a(chǎn)生相應(yīng)的窄脈沖信號加載到變壓器的初級線圈上。

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磁耦隔離芯片的結(jié)構(gòu)簡示圖

在信號傳輸階段,變壓器初級線圈在脈沖信號的作用下產(chǎn)生磁場變化,根據(jù)電磁感應(yīng)定律,變化的磁場會在次級線圈中感應(yīng)出電動勢。由于變壓器的初、次級線圈之間具有良好的磁耦合,磁場能有效地從初級線圈傳遞到次級線圈,從而將初級線圈的信號以磁場為媒介耦合到次級線圈。

在信號接收階段,次級端電路檢測到感應(yīng)電動勢后,對其進行處理和解碼,將其還原為與輸入信號邏輯對應(yīng)的1ns脈沖信號。而后,脈沖信號經(jīng)過電路處理后在輸出端重新恢復(fù)為最初的電信號。

光耦隔離是一種使用光電耦合器來實現(xiàn)信號傳輸與電氣隔離的技術(shù)。

在信號輸入階段,來自MCU的電信號會通過LED,LED會根據(jù)電信號電流的大小和變化產(chǎn)生相應(yīng)強度和變化的光信號。例如:輸入高電平時,通過LED的電流較大,LED發(fā)光強度較強;輸入低電平時,通過LED的電流較小或無電流,LED發(fā)光強度較弱或不發(fā)光。

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光耦隔離芯片的結(jié)構(gòu)簡示圖

在信號傳輸階段,LED發(fā)出的光信號會通過光耦內(nèi)部的PI、空氣等透明隔離介質(zhì),傳輸?shù)捷敵龆说墓饷粼?。在此過程中,由于光信號的傳輸是通過透明隔離介質(zhì)進行的,因此輸入和輸出端在電氣上是完全隔離的。

在信號接收階段,光敏二極管、光敏三極管或光控晶閘管等光敏元件在接收到光信號后,會根據(jù)光信號的強度、頻率等特性還原出相應(yīng)的電信號。例如,光敏三極管在接收到光信號后,其內(nèi)部的光敏區(qū)吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對,從而使三極管的電流發(fā)生變化,實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。

不同類型的隔離芯片,孰優(yōu)孰劣?

綜上所訴,容耦隔離芯片是利用電場信號來實現(xiàn)的信息傳輸與電氣隔離,采用CMOS工藝,具備抗干擾能力較強、數(shù)據(jù)傳輸速率較高、集成度較高、功耗較小、體積較小、成本較低等優(yōu)點,常用于高速數(shù)字信號的隔離。

磁耦隔離芯片是利用磁場信號來實現(xiàn)的信息傳輸與電氣隔離,采用CMOS工藝,具備數(shù)據(jù)傳輸速率較高、集成度較高與體積較小等優(yōu)點,但其存在功耗相對容耦隔離芯片較大、易受外部磁場干擾與應(yīng)用成本較高等缺點,常用于高速數(shù)字信號的隔離。

光耦隔離芯片是利用光信號來實現(xiàn)的信息傳輸與電氣隔離,具備技術(shù)成熟度較高、抗干擾能力較強與成本較低等優(yōu)點,但其存在數(shù)據(jù)傳輸速率較低、功耗較高、體積較大、隔離等級受限與光衰等缺點,常用于低速和中速數(shù)字信號的隔離。

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現(xiàn)階段,數(shù)字隔離芯片將進一步取代傳統(tǒng)光耦隔離芯片已成為業(yè)內(nèi)共識,其中容耦隔離芯片是業(yè)內(nèi)主流的技術(shù)發(fā)展方向。在數(shù)字隔離芯片的技術(shù)賽道上,容耦隔離芯片在抗干擾能力與成本方面均優(yōu)于磁耦隔離芯片,在下游市場端滲透更快,應(yīng)用領(lǐng)域亦更加寬泛。

容耦隔離芯片,“守護”電子系統(tǒng)的最優(yōu)選

作為傳統(tǒng)光耦隔離芯片的升級/替代方案,華普微自主研發(fā)的隔離芯片采用了業(yè)內(nèi)主流的容耦技術(shù),可通過OOK調(diào)制方式,令發(fā)射器通過隔離柵發(fā)送高頻載波表示一種數(shù)字狀態(tài),而不發(fā)送信號則表示另一種數(shù)字狀態(tài)。數(shù)據(jù)信號在接收時,接收器在將信號進行預(yù)處理后進行信號解調(diào),并通過緩沖級產(chǎn)生輸出。容耦隔離芯片的功耗基本不隨著傳輸數(shù)據(jù)速率的變化而改變。

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這種基于開關(guān)鍵控(OOK)的調(diào)制策略,不僅能有效抵抗共模干擾,確保設(shè)備在高噪聲環(huán)境下穩(wěn)定可靠地運行,還具備低電磁輻射、響應(yīng)速度快與實現(xiàn)成本低等優(yōu)勢,使得采用容耦技術(shù)的隔離芯片成為了各類電子系統(tǒng)中保障低壓控制回路安全性的理想選擇。

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展望未來,隨著容耦隔離芯片技術(shù)水平的不斷提升,可以預(yù)見,容耦隔離芯片作為保障電子電路安全的關(guān)鍵組件,將在新能源汽車、工業(yè)控制智能電網(wǎng)、信息通訊等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出更加廣泛的應(yīng)用潛力。

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審核編輯 黃宇

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