隔離放大器是一種對(duì)其輸入和輸出電路

設(shè)計(jì)人員常常需要在高共模電壓下測(cè)量小電壓，尤其是在使用電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)。這與使用傳感器時(shí)的接地回路問(wèn)題有關(guān)，這兩個(gè)問(wèn)題均可通過(guò)有效使用隔離放大器來(lái)解決。

隔離放大器在其輸入和輸出之間提供電流阻斷，因此僅傳輸所需信號(hào)并消除高共模電壓。在基于傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，隔離放大器在傳感器之間保持接地分離以消除接地回路。隔離放大器普遍應(yīng)用于電源、電機(jī)控制器、遠(yuǎn)程電壓檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)測(cè)量和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。

為了解釋隔離放大器的工作原理以及如何有效地予以應(yīng)用，本文將描述一個(gè)需要隔離的典型場(chǎng)景，然后討論三種常見(jiàn)隔離方法：變壓器耦合、光學(xué)耦合和容性耦合。在討論過(guò)程中，本文將介紹每種方法的實(shí)用解決方案，最后給出一個(gè)采用參考設(shè)計(jì)的例子。

典型電源場(chǎng)景

現(xiàn)代電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要在高共模電壓下測(cè)量小信號(hào)。設(shè)計(jì)人員如何使用阻性分流器測(cè)量一個(gè)偏置電壓超過(guò) 300 V 的推挽式 FET 功率驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載電流（圖 1a）？

圖 1：在高共模電壓下測(cè)量小電壓降 (a) 并消除接地回路 (b) 是需要隔離的常見(jiàn)電路應(yīng)用。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

上方 (a) 電路是用于控制電機(jī)或電機(jī)相位的典型功率驅(qū)動(dòng)器。它通過(guò)改變傳輸至負(fù)載的脈沖波形的占空比來(lái)控制功率。供電電壓（HV+ 和 HV-）大約為數(shù)百伏。分流電阻器 RSHUNT上的電流檢測(cè)電壓大約為數(shù)十毫伏，但它取決于在 HV+ 和 HV- 之間擺動(dòng)的脈沖波形。若將此電壓施加到接地儀表或電流檢測(cè)放大器的輸入端，則會(huì)超過(guò)共模電壓限制，并可能損壞器件。

同理，設(shè)計(jì)人員如何在多個(gè)太陽(yáng)能電池單元組成的電池組之上測(cè)量單個(gè)電池單元的電壓輸出？一旦共模電壓超過(guò) 80 V，就需要一些電隔離措施來(lái)將所需信號(hào)與之分離。

還要考慮如何將電路與接地回路隔離開(kāi)的問(wèn)題（圖 1b）。信號(hào)通過(guò)同軸電纜從左側(cè)的發(fā)射器源連接到右側(cè)的接收器。來(lái)自其他電路的雜散接地電流可能會(huì)通過(guò)連接著兩個(gè)接地的同軸屏蔽，找到一條返回路徑。這會(huì)在電纜屏蔽串聯(lián)阻抗上產(chǎn)生電壓，導(dǎo)致 VG2 與 VG1 不同，從而在接收器輸入端引起錯(cuò)誤。

這兩種應(yīng)用都要求信號(hào)連接的隔離能力。解決辦法是使用隔離放大器，在輸入和輸出之間提供電流隔離。隔離放大器僅傳輸所需信號(hào)，并消除高共模電壓。隔離放大器能夠消除系統(tǒng)中的接地回路，保持電路元件之間的接地分離。

隔離放大器工作原理

隔離放大器是一種對(duì)其輸入和輸出電路（包括相關(guān)電源）之間進(jìn)行電位隔離的放大器。這確保了輸入和輸出部分之間沒(méi)有導(dǎo)電路徑。兩部分之間的漏電流極低，而且電介質(zhì)擊穿電壓很高。輸入級(jí)是差分放大器，用于衰減共模電壓。它之所以能做到這一點(diǎn)，是因?yàn)檩斎氡舜讼嗖畈坏?1 V，并且放大器是浮動(dòng)的，不以地為基準(zhǔn)。通過(guò)精心設(shè)計(jì)和布局，最大限度減少各部分之間的雜散電容耦合，以免影響隔離。各部分之間的隔離由變壓器、電容或光學(xué)耦合提供（圖 2）。這些耦合方法通常會(huì)阻止信號(hào)的直流和低頻成分。利用輸入信號(hào)調(diào)制一個(gè)載波并發(fā)送全信號(hào)頻譜，然后在器件輸出端通過(guò)解調(diào)予以恢復(fù)，可以避免上述缺點(diǎn)。輸入端和輸出端均使用隔離電源。

圖 2：通用隔離放大器，顯示了三種常用隔離方法，包括變壓器耦合、容性耦合和光學(xué)耦合。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

所用調(diào)制技術(shù)取決于器件，但常用的有頻率調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制和三角積分調(diào)制。三角積分調(diào)制是最常遇到的。輸入為差分式，輸出配置可以是單端或差分式。請(qǐng)注意，隔離放大器的輸入和輸出部分具有單獨(dú)的電源連接。一般而言，輸入部分使用非以地為基準(zhǔn)的“浮動(dòng)”電源。保持良好的隔離性能要求將電源很好地隔離。

隔離放大器輸入和輸出之間的最大電壓差額定值通常針對(duì)持續(xù)直流和交流電壓而指定。瞬態(tài)的最大施加電壓?jiǎn)为?dú)指定，與瞬態(tài)條件的時(shí)序有關(guān)。只要物理布局遵循器件輸入和輸出引腳之間的推薦間距（這在規(guī)格書(shū)中有詳細(xì)說(shuō)明），那么就適用這些規(guī)格。

變壓器（磁性）耦合

變壓器耦合隔離是歷史上最古老的電路隔離方法。Analog DevicesAD202JY是一款磁性耦合隔離放大器（圖 3）。

圖 3：Analog Devices AD202JY 利用變壓器耦合和 15 V 非隔離單電源實(shí)現(xiàn) 1000 V 直流隔離。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

AD202JY 的最大隔離電壓額定值為 750 V RMS AC (60 Hz) 和 1000 V DC，加上連續(xù) AC。它使用雙變壓器，第一個(gè)用于信號(hào)路徑。第二個(gè)將 25 kHz 載波從輸出耦合到輸入端，這也是調(diào)制器的載波。它還用于為輸入部分生成雙隔離電源輸出，從而滿(mǎn)足對(duì)單獨(dú)隔離電源的需求。

放大器的增益由用戶(hù)設(shè)置，范圍是 1 到 100 V/V，其全功率帶寬為 5 kHz。輸出級(jí)是無(wú)緩沖差分輸出，能夠提供 ±5 V 電壓。

光學(xué)耦合

光學(xué)耦合是在隔離放大器的輸入和輸出之間提供隔離的另一種可能方法。隔離放大器的輸入部分驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管 (LED)，它發(fā)出的光由輸出部分中的光電晶體管拾?。▓D 4）。該鏈路完全是光學(xué)的，LED 和光電晶體管之間沒(méi)有電氣連接。

圖 4：BroadcomACPL790X隔離放大器系列的功能示意圖顯示了利用光學(xué)鏈路在輸入和輸出之間提供電隔離的方法。（圖片來(lái)源：Broadcom Limited）

Broadcom ACPL790 系列隔離放大器將出色的光學(xué)耦合、三角積分轉(zhuǎn)換器技術(shù)和斬波穩(wěn)定放大器相結(jié)合，提供高壓隔離、差分輸出和 200 kHz 帶寬。其 IEC/EN/DIN EN60747-5-5 工作絕緣電壓為 891 V（峰值）。該系列有三款精度規(guī)格不同的產(chǎn)品。ACPL-7900精度為 3%，ACPL-790A精度為 1%，ACPL-790B精度為 0.5%。

容性耦合

Texas InstrumentsAMC1301隔離放大器代表第三種獲得隔離的方法，即容性耦合（圖 5）。

圖 5：TI AMC1301 增強(qiáng)型隔離柵的每個(gè)分支使用兩個(gè)串聯(lián)電容器以提供容性隔離。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

AMC1301 是差分輸出隔離放大器，隔離電壓額定值為 1500 V（峰值）。隔離放大器的輸入級(jí)由差分放大器組成，后者驅(qū)動(dòng)三角積分調(diào)制器。隔離時(shí)鐘（載波）從內(nèi)部派生。發(fā)射器 (TX) 驅(qū)動(dòng)器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫p電容器隔離柵的另一側(cè)。接收的調(diào)制數(shù)據(jù)經(jīng)解調(diào)后，在低壓側(cè)與時(shí)鐘同步，輸出為差分信號(hào)。AMC1301 具有 8.2 的固定增益，標(biāo)稱(chēng)帶寬為 200 kHz（典型值）。

如前面所討論的一樣，AMC1301 的輸入和輸出側(cè)需要隔離電源。

AMC1301 參考設(shè)計(jì)

Texas Instruments (TI) 以 TINA-TI 仿真為 AMC1301 隔離放大器，提供了一個(gè)參考設(shè)計(jì)示例（TINA-TI 是 Texas Instruments 提供的免費(fèi)電路仿真器）。該電路有一個(gè) 200 mV（峰值）、5 kHz 信號(hào)作為仿真輸入，而共模電壓為 500 V。差分輸出的峰值幅度為 1.6 V，偏移為 0 V，驅(qū)動(dòng)一個(gè) 10 kΩ 負(fù)載。此例展示了隔離放大器從輸入信號(hào)中消除大共模偏移（本例中為 500 V）的威力。

圖 6：Texas Instrument AMC1301 參考設(shè)計(jì)（在 TINA-TI 中以仿真運(yùn)行）是 AMC1301 為 500 V 共模直流偏移提供隔離的一個(gè)例子。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

隔離接地回路

隔離放大器輸入和輸出之間的隔離可用來(lái)斷開(kāi)接地回路，例如圖 1b 中所示的接地回路。將隔離放大器放置在發(fā)射器和接收器之間，就會(huì)斷開(kāi)其間通過(guò)同軸電纜形成的接地連接，二者之間沒(méi)有直接接地路徑（圖 7）。

圖 7：在發(fā)射器和接收器之間插入隔離放大器以消除原始同軸電纜連接造成的接地回路。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

總結(jié)

無(wú)論基于磁性、光學(xué)還是容性耦合，隔離放大器都是一種有用的工具，可測(cè)量高共模電壓上的小信號(hào)，或隔離電路接地以消除帶寬高達(dá) 200 kHz 的系統(tǒng)中的接地回路。隔離放大器普遍應(yīng)用于電源、電機(jī)控制器、遠(yuǎn)程電壓檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)測(cè)量和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。