隔離技術(shù)的特性與在傳感器中的作用

各種新的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的增長(zhǎng)使許多設(shè)計(jì)人員面臨在傳感器和其他電子設(shè)備之間提供電流（歐姆）隔離的挑戰(zhàn)。這種隔離對(duì)于信號(hào)完整性，系統(tǒng)保護(hù)和用戶安全至關(guān)重要，但設(shè)計(jì)人員必須選擇三種主要的隔離技術(shù)：磁性，光學(xué)和電容屏障。

這些選項(xiàng)中的每一種都具有相似的性能特征，但在選擇它們之前，設(shè)計(jì)師需要欣賞微妙的差異。為此，本文將介紹隔離在傳感器中的作用，然后介紹各種選項(xiàng)，它們的不同特性以及如何應(yīng)用它們。

它還將介紹數(shù)字隔離，并提供更多示例數(shù)字隔離器。

隔離的基本要點(diǎn)

當(dāng)傳感器或傳感器子電路“隔離”時(shí)，它與電路的其余部分之間沒(méi)有電氣路徑，并且是基本的使用歐姆表進(jìn)行測(cè)量將顯示兩個(gè)部分之間沒(méi)有電流（圖1）。作為這種障礙的結(jié)果，挑戰(zhàn)在于將信號(hào)從隔離的子電路獲得到系統(tǒng)的其余部分。在許多情況下，還有一個(gè)額外的挑戰(zhàn)：為隔離的子電路供電，而不需要通過(guò)電源子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“偷偷摸摸的路徑”，這將抵消任何隔離。

圖1：在隔離系統(tǒng)中，未接地的傳感器和系統(tǒng)之間沒(méi)有電流路徑（可能接地），但信息承載能量某種類型必須從一方到另一方。 （圖片來(lái)源：Digi-Key，基于www.ee.co.za的原始材料）

隔離的原因包括：

傳感器處于“浮動(dòng)”狀態(tài)不得與系統(tǒng)“接地”有任何聯(lián)系（系統(tǒng)“普通”是一個(gè)更準(zhǔn)確的術(shù)語(yǔ)，但“地面”是這里常用的誤稱）。

即使系統(tǒng)是電池供電的，也是如此沒(méi)有連接到“交流接地”，如果傳感器輸出位于高共模電壓（CMV）之上，則可以輸出。這個(gè)CMV會(huì)損壞其余的電子設(shè)備。例如，單個(gè)電池單元的電壓位于串聯(lián)堆疊的頂部。

傳感器可能無(wú)意中連接到高壓電源或甚至AC線路。這不僅會(huì)損壞電子設(shè)備，還會(huì)給用戶帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。

幸運(yùn)的是，有一些可行的選項(xiàng)可以實(shí)現(xiàn)模擬傳感器隔離，提供低級(jí)和高級(jí)隔離，幾十伏到幾千伏。后者在大眾市場(chǎng)應(yīng)用中是必需的，例如EV/HEV，并且通常用于監(jiān)管安全要求。提供隔離的三種最常用方法是使用磁性，光學(xué)和電容技術(shù)，每種技術(shù)的額定電壓均高于1000 V或更高。

這些技術(shù)在其主要性能屬性方面存在顯著重疊，但也存在一些差異。關(guān)于哪一個(gè)在應(yīng)用中最合適的決定通常是困難的。

需要考慮的因素包括帶寬，尺寸和占位面積，成本，隔離等級(jí)（伏特），壽命等級(jí)和個(gè)人“ “找到性能參數(shù)的正確平衡取決于應(yīng)用。例如，電池監(jiān)控不需要快速響應(yīng)，而高速測(cè)試傳感器則需要快速響應(yīng)。

磁隔離：起點(diǎn)

磁性隔離使用變壓器，是最古老的技術(shù);多年來(lái)，這是唯一的技術(shù)。隔離變壓器通常具有1：1的匝數(shù)比，并且可以相當(dāng)小，因?yàn)樗幚硇盘?hào)而不是功率，并且耗散非常低。

由于變壓器不能通過(guò)DC，也不能處理非常低的頻率（除非它有一個(gè)大的核心），要隔離的信號(hào)不能直接應(yīng)用于主（輸入）側(cè)。相反，如果需要，傳感器信號(hào)被放大，然后用于以更高的頻率（幅度調(diào)制）調(diào)制載波，或用于脈沖寬度調(diào)制（PWM）。

在輸出上（在次級(jí)側(cè)，使用常規(guī)技術(shù)解調(diào)信號(hào)以提取和恢復(fù)原始信號(hào)。必須為初級(jí)側(cè)提供隔離電源，因此通常有一個(gè)獨(dú)立的專用隔離側(cè)電源，而輸出側(cè)則使用系統(tǒng)電壓軌。

早期的插入式隔離式運(yùn)算放大器是AD215 ADI公司（圖2）。其功能類似于非隔離運(yùn)算放大器，但它提供1500 V（rms）隔離和120 kHz帶寬。它包含一個(gè)信號(hào)調(diào)制器，變壓器和信號(hào)解調(diào)器，以及一個(gè)隔離的直流電源。所有這些都需要提供電流隔離，但允許模擬信號(hào)從輸入側(cè)傳遞到輸出側(cè)。

圖2：在AD215內(nèi)磁隔離器是一個(gè)信號(hào)調(diào)制器，變壓器和信號(hào)解調(diào)器，以及隔離的直流電源。 （圖像來(lái)源：ADI公司）

該器件具有±10 V（V）輸入/輸出范圍，額定增益范圍為1 V/V至10 V/V，并包含內(nèi)部隔離前端的DC/DC電源，因此無(wú)需單獨(dú)供電。

雖然AD215主要用于開(kāi)關(guān)電源的反饋環(huán)路，但也可用于電壓監(jiān)控器，電機(jī)電流檢測(cè)和大型電池系統(tǒng)，所有這些都在400 kHz帶寬內(nèi)（圖3）。

圖3：雖然主要用于AD215用于開(kāi)關(guān)電源的反饋環(huán)路，也可用于電壓監(jiān)控器，電機(jī)電流檢測(cè)和大型電池系統(tǒng)。此處顯示的AD210是功能相同的AD215版本，但規(guī)格寬松; AD620是一款精密儀表放大器。 （圖片來(lái)源：ADI公司）

在此類應(yīng)用中，在測(cè)量電機(jī)檢測(cè)電阻兩端的電壓時(shí)，通常需要進(jìn)行模擬隔離，以確定通過(guò)電機(jī)的電流。這是必要的，因?yàn)闄z測(cè)電阻不是以地為參考，而是“浮動(dòng)”，并且相對(duì)于地可能處于非常高的電位。

這些早期的磁性隔離器件使用了離散變壓器等等。相對(duì)較大且昂貴。較新的設(shè)計(jì)使用與IC封裝兼容的專有版平面共面變壓器。例如，ADI公司的ADuM3190隔離誤差放大器采用16引腳QSOP封裝，提供2.5 kV隔離額定值。它的平面變壓器彼此平行放置，以實(shí)現(xiàn)最大的能量傳輸（圖4）。

圖4：ADuM3190隔離誤差放大器的封裝外觀并且像IC一樣處理，但是包含硅芯片和一對(duì)平面變壓器，它們彼此平行放置以實(shí)現(xiàn)最大的能量傳遞。 （圖像來(lái)源：ADI公司）

雖然它看起來(lái)像標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器，但它實(shí)際上需要輸入信號(hào)并用它來(lái)產(chǎn)生一個(gè)通過(guò)平面變壓器的PWM信號(hào)。該P(yáng)WM信號(hào)在次級(jí)側(cè)被解調(diào)和濾波，以產(chǎn)生模擬輸出信號(hào)。數(shù)據(jù)手冊(cè)包括相位和增益裕量的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器Bode圖（圖5）。使用該器件（或類似器件）的設(shè)計(jì)人員可以期望通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)放大器環(huán)路穩(wěn)定性以及相關(guān)的建模和仿真。 Bode圖將有所幫助。

圖5：雖然它有一個(gè)復(fù)雜的，獨(dú)立的內(nèi)部架構(gòu)，ADI公司的ADuM3190在設(shè)計(jì)師看來(lái)是一個(gè)傳統(tǒng)運(yùn)算放大器（圖像來(lái)源：ADI公司）

ADuM3190的額定工作溫度范圍為-40°C至+ 125°C，這在某些目標(biāo)應(yīng)用中已成為現(xiàn)實(shí)。請(qǐng)注意，由于隔離元件是剛剛纏繞的導(dǎo)線，因此傳統(tǒng)意義上沒(méi)有“磨損”機(jī)制，除非設(shè)備的操作超出其規(guī)格。

然而，所有絕緣材料最終都會(huì)損壞在一段足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，由于電壓應(yīng)力，衰減速率是施加在電壓屏障上的電壓波形的大小和類型的函數(shù)。對(duì)于ADuM3190，供應(yīng)商即使在最大額定雙極AC波形下也能保證50年的使用壽命，這比單極AC或相同幅度的DC更具壓力。

光隔離：更新的選擇

磁隔離的替代方案是光隔離，這在概念上很簡(jiǎn)單：輸入側(cè)驅(qū)動(dòng)LED，LED的輸出照射在共同封裝的光電晶體管上，輸出是光電晶體管電流（圖6）。封裝內(nèi)LED和光電晶體管之間的短光路提供了所需的電流隔離。

圖6：光隔離器需要兩個(gè)有源元件：一個(gè)LED來(lái)源IR，一個(gè)光電晶體管將接收到的光子轉(zhuǎn)換成電流。電流隔離由封裝內(nèi)的光路提供。 （圖像來(lái)源：Sunpower UK）

與基于變壓器的隔離一樣，輸入信號(hào)用于在數(shù)字模式下使用PWM或其他方法調(diào)制LED電流。 Broadcom（Avago）ACPL-C87B/C87A/C870系列光隔離放大器是可用于電流檢測(cè)電阻上電壓檢測(cè)的器件的一個(gè)很好的例子（圖7）。

圖7：Broadcom ACPL-C87B/C87A/C870系列中的光隔離器針對(duì)較低電平電壓，并使用Σ-Δ調(diào)制與斬波穩(wěn)定放大器實(shí)現(xiàn)精度，準(zhǔn)確度和一致性。 （圖像來(lái)源：Broadcom）

該系列中的隔離器具有2伏輸入范圍和高1GΩ輸入阻抗。這些規(guī)格使它們非常適合電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中的隔離電壓檢測(cè)要求，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)和可再生能源系統(tǒng)。這些器件結(jié)合了光耦合技術(shù)和sigma-delta（Σ-Δ）調(diào)制，斬波穩(wěn)定放大器和差分輸出，可提供高隔離模式噪聲抑制，低失調(diào)，高增益精度和穩(wěn)定性。這些器件都采用拉伸SO-8（SSO-8）封裝。

這些器件非常適合功率轉(zhuǎn)換器應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兙哂?00 kHz帶寬（圖8）和高共模瞬態(tài)抗擾度（15 kV/μs）。這種瞬變?cè)陔姍C(jī)驅(qū)動(dòng)中很常見(jiàn)。

圖8：使用其內(nèi)部sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，Broadcom ACPL-C87B/C87A/C870系列光隔離放大器可輕松實(shí)現(xiàn)100 kHz帶寬，平坦響應(yīng)可達(dá)100 kHz。 （圖像來(lái)源：Broadcom）

電容隔離：最新選項(xiàng)

另一種隔離技術(shù)使用電容和電容器“板”之間的微小間隔進(jìn)行隔離。由于IC和封裝技術(shù)的進(jìn)步，近年來(lái)該技術(shù)已變得可行且具有成本效益。一個(gè)很好的實(shí)現(xiàn)示例是德州儀器ISO124。這是一款精密隔離放大器，其輸入和輸出部分通過(guò)內(nèi)置于SOIC-16（或SOIC-18）表面貼裝塑料封裝中的匹配1皮法（pF）電容進(jìn)行電隔離。

與其他模擬隔離放大器一樣，其高級(jí)功能圖很簡(jiǎn)單（圖9）。

圖9：模擬隔離放大器的一個(gè)常用符號(hào)是ISO124數(shù)據(jù)手冊(cè)中使用的“分離”運(yùn)算放大器;這清楚地表明輸入和輸出部分有自己獨(dú)立的“地面”（雖然“常見(jiàn)”將是更正確的名稱）。 （圖像來(lái)源：德州儀器）

同時(shí)，詳細(xì)的框圖顯示了用戶內(nèi)部和不可見(jiàn)的復(fù)雜性（圖10）。

圖10：與磁性和光學(xué)隔離器件一樣，ISO124中有大量的模擬和數(shù)字電路，使其獨(dú)特的基于電容的隔離操作。 （圖像來(lái)源：德州儀器）

ISO124輸入是占空比調(diào)制的，并通過(guò)屏障以數(shù)字方式傳輸。輸出部分接收調(diào)制信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換回模擬電壓并消除解調(diào)中固有的紋波分量。它具有0.010％的最大非線性，50 kHz信號(hào)帶寬和200微伏（μV）/°C VOS漂移，并且需要一個(gè)介于±4.5 V和±18 V之間的單電源。

與非隔離運(yùn)算放大器，數(shù)據(jù)表包含表格數(shù)據(jù)以及有關(guān)各種條件下正弦波和階躍響應(yīng)性能的圖形信息（圖11）。這些隔離設(shè)備的潛在用戶需要研究數(shù)據(jù)和圖表，以確保設(shè)備性能與應(yīng)用程序需求相稱。

圖11：由于ISO124基于模擬器件的運(yùn)算放大器性質(zhì)，設(shè)計(jì)人員需要密切關(guān)注許多圖形和表格，包括標(biāo)準(zhǔn)正弦和階躍響應(yīng)圖。 （圖片來(lái)源：德州儀器）

ISO124非常適合低速應(yīng)用，例如在接收器端隔離4-20 mA電流回路上的電阻溫度檢測(cè)器（RTD）和熱電偶溫度傳感器的信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電壓（圖12）。

圖12：ISO124用于隔離通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)4-20 mA電流回路連接的RTD，并將該電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0-5 V信號(hào)，用于控制系統(tǒng)兼容性。 （圖像來(lái)源：德州儀器公司）

溫度測(cè)量應(yīng)用通常要求傳感器與系統(tǒng)電路的其余部分隔離，因?yàn)樗鼈兛赡苤苯庸潭ㄔ诟邏狐c(diǎn)上，例如電機(jī)外殼。然后，系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將此電壓用于讀出或閉環(huán)控制，這兩種情況都是常見(jiàn)的工業(yè)情況。

做出決定

所有三種模擬隔離技術(shù) - 磁性，光學(xué)和電容 - 都可以在合適的條件下提供出色的結(jié)果。設(shè)計(jì)師的困境隨后變成了如何在給定情況下決定“最佳”的那個(gè)。

要考慮的因素包括帶寬，預(yù)期壽命（故障或磨損時(shí)間），尺寸和功率要求。每種隔離技術(shù)都可以平衡這些屬性，并可能在一個(gè)系列中提供具有不同折衷的特定產(chǎn)品，從而使決策變得復(fù)雜。

關(guān)于電壓隔離的數(shù)量，所有三種類型都經(jīng)過(guò)認(rèn)證至少1 kV（一些去至5 kV甚至更高）并符合相關(guān)的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)（IEEE，VDE，CIE，UL，CSA）。因此，對(duì)于大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而言，最大隔離電壓不是問(wèn)題。如果這應(yīng)該成為一個(gè)問(wèn)題，可以使用經(jīng)過(guò)認(rèn)證可以獲得更高電壓的專業(yè)隔離器。

關(guān)于每種隔離技術(shù)，可以做一些一般性陳述，但對(duì)于每個(gè)聲明都有例外情況，以及供應(yīng)商每種技術(shù)都有效且合法地論證了為什么他們的方法更好。一般來(lái)說(shuō)：

磁隔離具有很長(zhǎng)的使用壽命，其無(wú)源屏障可以承受遠(yuǎn)大于連續(xù)電壓額定值的浪涌和尖峰。然而，由于其通過(guò)磁場(chǎng)的電感耦合，它可能易受外部磁場(chǎng)的干擾。一些較新的設(shè)計(jì)成功地將這個(gè)問(wèn)題最小化，使得這些單元通過(guò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試證明不具備這種干擾敏感性。

光隔離對(duì)電磁噪聲具有很高的抗擾度，但速度適中LED開(kāi)關(guān)速度，功耗更高，以及對(duì)LED磨損的擔(dān)憂。最后一個(gè)問(wèn)題是最嚴(yán)重的問(wèn)題，因?yàn)長(zhǎng)ED在正常使用中會(huì)出現(xiàn)降級(jí)（變暗），典型的半亮度周期約為十年。然而，像Broadcom/Avago這樣的公司已經(jīng)推動(dòng)了LED材料的最新技術(shù)，因此保證滿足20年的規(guī)格，這通常足以滿足這種情況。

電容隔離對(duì)磁噪聲具有很高的抗擾度，與光隔離相比，它可以支持更寬的帶寬，因?yàn)闆](méi)有需要切換的LED。實(shí)際上，大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用都是低帶寬情況。電容耦合還涉及使用電場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此可能容易受到外部電場(chǎng)的干擾。

模擬與數(shù)字隔離

到目前為止，我們已經(jīng)看過(guò)了物聯(lián)網(wǎng)傳感器的模擬隔離技術(shù)（圖13）。

圖13：在模擬隔離拓?fù)渲校瑐鞲衅餍盘?hào)仍然是模擬信息（無(wú)論在隔離器本身內(nèi)發(fā)生了什么，直到它到達(dá)非隔離側(cè)，在那里它可以轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式以供進(jìn)一步使用。 （圖片來(lái)源：National Instruments）

然而，有一個(gè)基本的架構(gòu)選擇：數(shù)字隔離，模擬傳感器的輸出在隔離側(cè)進(jìn)行調(diào)節(jié)和數(shù)字化，然后數(shù)字輸出通過(guò)數(shù)字隔離屏障（圖14）。

圖14：另一種常用的方法是將隔離側(cè)的信號(hào)數(shù)字化，然后通過(guò)轉(zhuǎn)換通過(guò)數(shù)字隔離屏障產(chǎn)生。與模擬隔離設(shè)計(jì)相比，這允許實(shí)現(xiàn)非常不同的隔離功能。 （圖像來(lái)源：National Instruments）

與模擬隔離一樣，此屏障可以使用這三種技術(shù)中的任何一種，但其內(nèi)部設(shè)計(jì)專門針對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行了優(yōu)化，通?？梢灾С?jǐn)?shù)十Mbps的數(shù)據(jù)。此外，對(duì)于數(shù)字隔離，存在新的第四類選項(xiàng)，其使用調(diào)制的RF載波而不是調(diào)制的（LED）光。 Silicon Labs的Si863x系列是這種器件的一個(gè)很好的例子（圖15）。

圖15：硅的Si863x系列數(shù)字隔離器實(shí)驗(yàn)室使用調(diào)制的RF載波代替光來(lái)傳輸信號(hào)，同時(shí)提供隔離。 （圖片來(lái)源：Silicon Labs）

隨著ADC的成本下降，供應(yīng)商已經(jīng)對(duì)I 2 C和LVDS等接口進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)字隔離的使用變得更具吸引力。缺點(diǎn)是隔離側(cè)需要更多電路。這意味著需要更多的隔離電源，增加了成本和占用空間。

然而，再次，低功耗高性能ADC的進(jìn)步使這成為一個(gè)問(wèn)題。標(biāo)準(zhǔn)接口數(shù)字隔離器，例如I 2 C的1 MHz ADUM1250和來(lái)自ADI公司的LVDS的600 Mbit/sec ADN4651，簡(jiǎn)化了這種設(shè)計(jì)方案。在多芯片IC封裝中還有集成隔離的ADC，例如16位ADI公司的AD7401A，它使整個(gè)轉(zhuǎn)換和隔離過(guò)程對(duì)用戶透明。

最后，還有一個(gè)問(wèn)題。多通道隔離。雖然許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用只有一個(gè)或兩個(gè)傳感器需要隔離，但其他傳感器可能有四個(gè)，八個(gè)或更多。在這些情況下，聚合的單個(gè)模擬隔離器可能太大，成本高且耗電量大。

另一種方法是使用多通道ADC或帶有前端多路復(fù)用器的單通道器件，所有這些都是在隔離的一側(cè)，采用更高速度的數(shù)字隔離來(lái)傳輸結(jié)果。這可能比簡(jiǎn)單的每通道隔離功能，空間和成本效益更高。

結(jié)論

模擬傳感器隔離是許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，用于信號(hào)完整性，系統(tǒng)安全性，以及用戶保護(hù)。三種可行的競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)隔離，每種技術(shù)在性能上提供了許多相似之處，但存在一些細(xì)微差別。在隔離側(cè)進(jìn)行傳感器數(shù)字化的數(shù)字隔離也是許多應(yīng)用中需要考慮的選擇。