中心議題：

• 電路隔離的必要性
• 電路隔離器應用

解決方案：

• 光耦合隔離技術
• 電感耦合隔離技術
• 電容耦合隔離技術

隔離就是將一部分與其他部分中的非理想影響分離開來。在電子電路中，電介質通過阻斷直流電(DC)實現電路隔離。那麼被隔離的電路如何在一個更大的電氣係統中運行呢

？這個問題的答案便是本應用報告的主題。

隨著德州儀器(TI)heqitagongyingshangtuichudechanpinshuliangbuduanzengjia，gelixinhaodechuanshuxuanxiangyesuizhizengjia，congershishejirenyuanzaichanpinxuanzeshangbiandegengjiafuza。benbaogaochanshulegeliqidezhongyaotexing，bingshuominglegechanpinzhijiandechayihexiangsizhichu。

zaiduidianlugelidebiyaoxingjinxinghuiguzhihou，womenduidianjiezhixinhaochuanshudesanzhongfangfayijimoniduishuzigeliqijinxingletaolun
，bingduimeiyileixingshuzigeliqideshilijinxinglemiaoshuheduibi。

電路隔離的必要性

隔離電路的主要原因是保護電路不受危險電壓和電流的損壞。在圖1的醫療應用實例中，即使是小量的AC電dian流liu也ye有you可ke能neng造zao成cheng致zhi命ming的de傷shang害hai，因yin此ci需xu要yao采cai用yong一yi個ge隔ge離li層ceng來lai保bao護hu病bing人ren。隔ge離li還hai可ke對dui敏min感gan電dian路lu進jin行xing保bao護hu，使shi其qi免mian於yu受shou到dao工gong業ye應ying用yong中zhong出chu現xian的de高gao壓ya損sun壞huai。圖tu2的工業實例僅為一個高壓測量法。將傳感器與實際高壓相隔離使得對低壓電路的測量成為可能。


圖1：電源和病人之間可能的電路通路。

保護原理是將高電壓電位(potential)隔離
，其可能出現在各係統或電路中
，如圖3zhongdexianlanyingyongsuoshi，qizhongdechangjulikeyijiangyigequdongqihejieshoujigeli。jingguorucidechangjuli

，jiedikenengchuzaibutongdianyazhong。tongguogeli
，zaigeliqierfeimingandianluzhongxingchengdianyacha。

圖3：設備之間的接地電壓差。

如圖4suoshi，tongguoxiangduiyuqitadianluzujianeryandegaozukang，gelizhongduanleyoudianlutongluxingchengdehuanlu。tongguozhongduangaihuanlu，zaoshengdianyachuxianzaigelicengshang
，erfeichuxianzaijieshoujihuogengweimingandezujianshang。zaoshengdianyadegaodianpingkeyiyouwaibudianliuhuodianyayuan(例如：電感馬達和閃電(lightning))耦合。[page]



電路隔離器

在zai允yun許xu通tong過guo電dian磁ci或huo光guang鏈lian路lu進jin行xing模mo擬ni或huo數shu字zi信xin號hao傳chuan輸shu的de同tong時shi
，電dian路lu隔ge離li器qi阻zu礙ai了le各ge電dian路lu之zhi間jian的de低di頻pin電dian流liu。數shu字zi隔ge離li器qi傳chuan輸shu二er進jin製zhi信xin號hao，模mo擬ni隔ge離li器qi則ze在zai隔ge離li層ceng上shang傳chuan輸shu連lian續xu信xin號hao。在zai模mo擬ni和he數shu字zi隔ge離li器qi中zhong

，工gong作zuo和he峰feng值zhi額e定ding電dian壓ya以yi及ji共gong模mo瞬shun態tai抗kang擾rao度du均jun為wei這zhe種zhong隔ge離li層ceng的de重zhong要yao特te性xing。當dang對dui數shu字zi信xin號hao進jin行xing隔ge離li時shi
，隔ge離li電dian路lu的de這zhe些xie重zhong要yao特te性xing為wei輸shu入ru和he輸shu出chu邏luo輯ji電dian壓ya電dian平ping、信號速率、數據運行長度以及自動防護響應。

傳統上而言，為滿足特殊需求時，變壓器


、電(dian)容(rong)器(qi)或(huo)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)晶(jing)體(ti)管(guan)及(ji)分(fen)立(li)電(dian)路(lu)以(yi)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)為(wei)條(tiao)件(jian)。這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)是(shi)有(you)效(xiao)的(de)
，但(dan)卻(que)不(bu)能(neng)將(jiang)其(qi)從(cong)一(yi)種(zhong)應(ying)用(yong)轉(zhuan)移(yi)至(zhi)另(ling)一(yi)種(zhong)應(ying)用(yong)中(zhong)。盡(jin)管(guan)這(zhe)樣(yang)可(ke)能(neng)會(hui)保(bao)持(chi)模(mo)擬(ni)隔(ge)離(li)器(qi)的(de)情(qing)況(kuang)
，但(dan)市(shi)場(chang)中(zhong)已(yi)經(jing)出(chu)現(xian)了(le)新(xin)一(yi)代(dai)數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)器(qi)，其(qi)使(shi)用(yong)創(chuang)新(xin)電(dian)路(lu)在(zai)超(chao)過(guo)100Mbpszhiliudianxinhaosulvdetiaojianxiaduibiaozhunshuzixinhaojinxinggeli。zhexietongyongshuzigeliqijunjuyouqigezideyoudianhequedian。yixiajiduanneirongjiangduigezhongbutongjishujinxingjieshao，bingjiangjutichanpintongTI推出的新型ISO72x係列產品進行對比。

1光耦合技術

光耦合技術是在透明絕緣隔離層(例如：空氣間隙)上的光傳輸，以達到隔離目的。圖5顯示了一款數字隔離器的主要組件。該電流驅動器采用數字輸入，並將信號轉換為電流來驅動發光二極管(LED)。輸出緩衝器將光電探測器的電流輸出轉換為一個數字輸出。


圖5：基本光耦合機製。

光(guang)耦(ou)合(he)技(ji)術(shu)的(de)主(zhu)要(yao)優(you)點(dian)是(shi)，光(guang)具(ju)有(you)對(dui)外(wai)部(bu)電(dian)子(zi)或(huo)磁(ci)場(chang)內(nei)在(zai)的(de)抗(kang)擾(rao)性(xing)，而(er)且(qie)，光(guang)耦(ou)合(he)技(ji)術(shu)允(yun)許(xu)使(shi)用(yong)恒(heng)定(ding)信(xin)息(xi)傳(chuan)輸(shu)。光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)的(de)不(bu)足(zu)之(zhi)處(chu)主(zhu)要(yao)體(ti)現(xian)在(zai)速(su)度(du)限(xian)製(zhi)
、功耗以及LED老化上。

一個光耦合器的最大信號速率取決於LED能夠開啟和關閉的速度。從當前可供使用的產品來看
，最快的光耦合器是HCPL-0723，其可以達到50Mbps的信號速率。

從輸入到輸出的電流傳輸比(CTR)是光耦合器的一個重要特性，LED一般會要求10mA的輸入電流
，以用於高速數字傳輸。這種比率對用於驅動LED的電流和由光電晶體管產生的電流進行調節。隨著時間的推移，LED變得更為低效，同時要求更多的電流來產生相同等級的亮度以及相同等級的光電晶體管輸出電流。在許多數字隔離器中
，內部電路控製LED驅動電流，並且用戶無法對逐漸下降的CTR進行補償。LED的優勢減弱了
，並且隨著時間的推移隔離器不再像以前那樣有效了。

2電感耦合技術

電dian感gan耦ou合he技ji術shu使shi用yong兩liang個ge線xian圈quan之zhi間jian的de變bian化hua磁ci場chang在zai一yi個ge隔ge離li層ceng上shang進jin行xing通tong信xin。最zui常chang見jian的de例li子zi就jiu是shi變bian壓ya器qi，其qi磁ci場chang大da小xiao取qu決jue於yu主zhu級ji和he次ci級ji繞rao組zu的de線xian圈quan結jie構gou(匝數/單位長度)
、磁芯的介電常數，以及電流振幅。圖6顯示了一款具有信號調節電路模塊的變壓器。


圖6：電感隔離。
[page]
dianganouhejishudeyoudianshi，kenengcunzaidegongmochayihechafenchuanshutexing。bianyaqidejingxinshejiyunxuzaoshenghexinhaopinlvzhongdie，danshihuichengxianchuzaoshenggaogongmozukanghexinhaodichafenzukang。lingyigeyoudianshi，xinhaonengliangchuanshukeyiweijin100%的效率，從而使低功耗隔離器成為可能。
電感耦合技術的主要缺點是對外部磁場(噪聲)的磁化。工業應用通常要求磁場隔離，例如：madakongzhi。shuzibianyaqichuanshuzhonglingyigequedianshishujuyunxingchangdu。yigexinhaozhuanhuanqizaimouyipinlvhezhenfufanweineichuanshuxinhao，bingqieqishizhenkeyijieshou。xuyaoshujuyunxingchangduxianzhihuoshizhongbianmalaijianggaixinhaobaochizaikeyongbianyaqidaikuannei。caiyongdianganouhejishudetongyongshuzigeliqiyaoqiuxinhaochulisuitongchuanshudipinlvxinhao(1或0長字符)的方法共同對數字信號進行傳輸和重新構建。NVE公司/Avago(安華高)公司推出的Isoloop，以及ADI(美國模擬器件公司)推出的iCoupler均使用了編碼功能
，並提供了支持從DC到100Mbps運行範圍的數字隔離解決方案。

ADuM1100是ADI推出的iCoupler技術的一個例子。ADuM1100使用一個基本的變壓器來實現在一個隔離層上傳輸信息。這種Isoloop技術(例如：HCPL-0900)使用一個如圖7所示的電阻器網絡來替換次級線圈。該電阻器由GMR(巨磁電阻)材(cai)料(liao)組(zu)成(cheng)，這(zhe)樣(yang)當(dang)磁(ci)場(chang)發(fa)揮(hui)作(zuo)用(yong)時(shi)該(gai)電(dian)阻(zu)會(hui)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)。電(dian)路(lu)感(gan)應(ying)電(dian)阻(zu)的(de)變(bian)化(hua)
，並(bing)滿(man)足(zu)其(qi)條(tiao)件(jian)
，以(yi)用(yong)於(yu)輸(shu)出(chu)。這(zhe)種(zhong)技(ji)術(shu)被(bei)首(shou)次(ci)引(yin)入(ru)市(shi)場(chang)時(shi)就(jiu)切(qie)實(shi)地(di)提(ti)高(gao)了(le)AC性能
，超過了現有光耦合器的性能。現在，隨著ADI最近推出了更多的數字隔離器以及TIISO72x係列器件的推出，這些Isoloop器件的性能已經被超越。


圖7：GMR結構圖。

3電容耦合技術

電(dian)容(rong)耦(ou)合(he)技(ji)術(shu)是(shi)在(zai)隔(ge)離(li)層(ceng)上(shang)采(cai)用(yong)一(yi)個(ge)不(bu)斷(duan)變(bian)化(hua)的(de)電(dian)場(chang)傳(chuan)輸(shu)信(xin)息(xi)。各(ge)電(dian)容(rong)器(qi)極(ji)板(ban)之(zhi)間(jian)的(de)材(cai)料(liao)是(shi)一(yi)個(ge)電(dian)介(jie)質(zhi)隔(ge)離(li)器(qi)
，並(bing)形(xing)成(cheng)隔(ge)離(li)層(ceng)。該(gai)極(ji)板(ban)尺(chi)寸(cun)
、極板之間的間隔和電介質材料等都決定著電氣性能。


圖8：電容耦合。

使shi用yong一yi個ge電dian容rong隔ge離li層ceng的de好hao處chu是shi
，在zai尺chi寸cun大da小xiao和he能neng量liang傳chuan輸shu方fang麵mian的de高gao效xiao率lv
，以yi及ji對dui磁ci場chang的de抗kang擾rao度du。前qian者zhe使shi低di功gong耗hao和he低di成cheng本ben集ji成cheng隔ge離li電dian路lu成cheng為wei可ke能neng
；而後者使在飽和或高密度磁場環境下運行成為可能。

dianrongouhejishudequedianshiqimeiyouchafenxinhaohezaosheng，bingqiexinhaogongyongxiangtongdechuanshutongdao

，zheyidianyubianyaqibutong。zhejiuyaoqiuxinhaopinlvyaodadagaoyuzaoshengyuqipinlv
，zheyanggelicengdianrongjiuchengxianchuxinhaodedizukang
，yijizaoshengdegaozukang。shiyongledianganouheyihou，dianrongouhejiubunengchuanshuwendingzhuangtaixinhao，bingxuyaoshizhongbianmashuju。
[page]
1TI推出的ISO721

TI推出的ISO72x係列隔離器采用電容耦合技術。電容耦合解決方案采用業經驗證的、低成本生產製造工藝
，並對磁場具有內在的抗擾度。

為了提供恒定信息的傳輸，ISO72x使用一個高信號速率和低信號速率通道來進行通信
，如圖9所suo示shi。高gao信xin號hao速su率lv通tong道dao未wei被bei編bian碼ma，並bing且qie其qi在zai一yi個ge單dan端duan到dao差cha分fen轉zhuan換huan之zhi後hou的de隔ge離li層ceng上shang傳chuan輸shu數shu據ju。該gai低di信xin號hao速su率lv通tong道dao以yi一yi種zhong脈mai寬kuan調tiao製zhi格ge式shi對dui數shu據ju進jin行xing編bian碼ma，並bing在zai隔ge離li層ceng上shang差cha分fen傳chuan輸shu數shu據ju
，從cong而er確que保bao了le恒heng定ding狀zhuang態tai的de精jing確que通tong信xin(1和0的長字符)。

單(dan)端(duan)邏(luo)輯(ji)信(xin)號(hao)在(zai)隔(ge)離(li)層(ceng)上(shang)的(de)差(cha)分(fen)傳(chuan)輸(shu)允(yun)許(xu)使(shi)用(yong)低(di)電(dian)平(ping)信(xin)號(hao)和(he)小(xiao)耦(ou)合(he)電(dian)容(rong)。這(zhe)就(jiu)呈(cheng)現(xian)出(chu)對(dui)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)的(de)高(gao)阻(zu)抗(kang)，並(bing)且(qie)，通(tong)過(guo)接(jie)收(shou)機(ji)的(de)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)抑(yi)製(zhi)，帶(dai)來(lai)了(le)優(you)異(yi)的(de)瞬(shun)態(tai)抗(kang)擾(rao)度(du)

，也(ye)即(ji)信(xin)號(hao)電(dian)容(rong)耦(ou)合(he)需(xu)要(yao)解(jie)決(jue)的(de)主(zhu)要(yao)問(wen)題(ti)。




圖9：ISO72x與ISO72xM的結構圖。

4隔離性能

三個主要標準驗證了對於隔離保護的必要性，其分別為UL1577、IEC60747-5-2和CSA。雖然每一種標準都稍有不同
，但是均提供了一個對比隔離性能的標準。IEC
、UL和CSA的測試證實了輸入和輸出之間電介質擊穿以外的電壓。運用這些標準非常簡單，因為測試標準和隔離方法無關。圖10顯示了隔離測試是如何將隔離器看作是兩端器件的。盡管每種器件的物理結構存在差異，但隔離測試卻是在電介質擊穿電壓上測定的。


UL1577
、IEC60747-5-2、IEC61010-1和CSA測試了ISO72x係列隔離性能。表1顯示了說明該三種隔離技術的這五個器件的隔離性能。

所有這三個測試，即UL
、CSA和IEC



，均對隔離層的質量進行了測試。UL和CSA測試均為應力測試，其使用由廠商設置的規定時間對電介質擊穿電壓進行測試。在該測試期間
，電介質的擊穿就是出現的一個故障。IEC測試使用一種被稱為局部放電的現象來探測電介質內的無效(void)。一個大電壓被應用於該器件中，其是由廠商定義的工作電壓的一個函數，然後被降低至另一個電壓電平
，即Vm。在該低壓應用中，對被測試器件進行電介質內的無效局部放電監控。這些無效會導致整個電介質的最終擊穿。

5瞬態抗擾度

高轉換率(高頻率)瞬態可以破壞一個隔離層上的數據傳輸。該隔離層電容提供了一個如圖11所(suo)示(shi)的(de)通(tong)道(dao)，使(shi)瞬(shun)態(tai)事(shi)件(jian)穿(chuan)過(guo)隔(ge)離(li)層(ceng)
，並(bing)破(po)壞(huai)輸(shu)出(chu)波(bo)形(xing)。一(yi)個(ge)法(fa)拉(la)第(di)屏(ping)蔽(bi)可(ke)以(yi)使(shi)這(zhe)種(zhong)在(zai)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)或(huo)電(dian)感(gan)耦(ou)合(he)器(qi)中(zhong)的(de)位(wei)移(yi)電(dian)流(liu)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)遠(yuan)離(li)重(zhong)要(yao)的(de)輸(shu)出(chu)結(jie)構(gou)。


圖11：隔離層電容。

在(zai)電(dian)容(rong)耦(ou)合(he)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)中(zhong)，法(fa)拉(la)第(di)屏(ping)蔽(bi)並(bing)非(fei)是(shi)一(yi)種(zhong)可(ke)行(xing)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。除(chu)了(le)瞬(shun)態(tai)以(yi)外(wai)，法(fa)拉(la)第(di)屏(ping)蔽(bi)還(hai)會(hui)阻(zu)塞(sai)用(yong)於(yu)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)的(de)電(dian)場(chang)。為(wei)了(le)提(ti)供(gong)瞬(shun)態(tai)抗(kang)擾(rao)度(du)，ISO72x係列電容隔離器隻傳輸fo信號(信號中僅代表最高頻率能量的數據信號)。這樣就允許有一個噪聲頻率高阻抗的小耦合電容。其他噪聲則來自在隔離層上傳輸數據的差分技術。圖9顯示了穿過電容隔離層的四個信號
；兩(liang)個(ge)包(bao)含(han)低(di)信(xin)號(hao)速(su)率(lv)信(xin)息(xi)，另(ling)外(wai)兩(liang)個(ge)包(bao)含(han)高(gao)信(xin)號(hao)速(su)率(lv)信(xin)息(xi)。通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)差(cha)分(fen)技(ji)術(shu)，可(ke)以(yi)在(zai)真(zhen)正(zheng)的(de)和(he)補(bu)償(chang)信(xin)號(hao)中(zhong)看(kan)到(dao)任(ren)何(he)穿(chuan)過(guo)隔(ge)離(li)層(ceng)的(de)剩(sheng)餘(yu)共(gong)模(mo)瞬(shun)態(tai)，而(er)且(qie)差(cha)分(fen)接(jie)收(shou)機(ji)對(dui)其(qi)進(jin)行(xing)了(le)抑(yi)製(zhi)。如(ru)表(biao)2所示
，ISO72x係列的瞬態抗擾度和所有具可比性的高達25kV/us的器件一樣高。[page]



6自動防護

數(shu)據(ju)線(xian)電(dian)路(lu)和(he)數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)器(qi)需(xu)要(yao)注(zhu)意(yi)的(de)一(yi)點(dian)就(jiu)是(shi)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)損(sun)耗(hao)的(de)輸(shu)出(chu)狀(zhuang)態(tai)。輸(shu)入(ru)損(sun)耗(hao)可(ke)能(neng)出(chu)現(xian)在(zai)線(xian)纜(lan)斷(duan)開(kai)或(huo)直(zhi)接(jie)從(cong)隔(ge)離(li)器(qi)輸(shu)入(ru)端(duan)去(qu)除(chu)電(dian)源(yuan)。自(zi)動(dong)防(fang)護(hu)是(shi)指(zhi)在(zai)輸(shu)入(ru)損(sun)耗(hao)狀(zhuang)態(tai)下(xia)一(yi)個(ge)決(jue)定(ding)性(xing)的(de)或(huo)已(yi)知(zhi)的(de)輸(shu)出(chu)狀(zhuang)態(tai)。ISO72x係列使用一個周期脈衝來確定輸入結構是否有電

，並且是否正在工作。如果隔離器的輸出端在4us以後沒有接收到一個脈衝，那麼該輸出被設置為一個高狀態。ADI推出的ADum1100也在IC的輸出部分集成了一個自動防護電路。安華高科技推出的光解決方案(HCPL-0721及-0723)沒有提及自動防護


，而電感GMR解決方案(HCPL-0900)明確地描述了在電源排序期間輸出的不確定性質。

7功耗

除了隔離層上信號傳輸的效率之外，輸入和輸出調節電路的設計同功耗的相關性最大。如表3所示，與電感或電容實例相比

，光耦合器的功耗會更高。


8可靠性

故障前平均工作時間(MTTF)是半導體設備可靠性的標準測量方法。對於數字隔離器而言
，這種測量表示集成電路和隔離機製的可靠性。表4顯示了一款光
、電感和電容數字隔離器的MTTF。與電感及光解決方案相比
，ISO721非常可靠。


ADuM1100可靠性數據表沒有明確地說明MTTF，但是其提供了可靠性測試的結果。表5顯示了ISO721和ADuM1100可靠性測試的參數。

9外部磁場抗擾度

圖12對比了ADuM1100和ISO72x(沒有找到HCPL-0900的數據)的磁場抗擾度。相對來說盡管這兩個實例均對磁場有一定的抗擾度，但是ISO72x提供了更大的裕度。如前麵所述，光耦合隔離層電路對外部磁場具有內在的磁化抗擾度。


圖12：對外部磁場的敏感度。

噪(zao)聲(sheng)降(jiang)低(di)和(he)噪(zao)聲(sheng)保(bao)護(hu)使(shi)得(de)隔(ge)離(li)器(qi)在(zai)那(na)些(xie)隔(ge)離(li)器(qi)中(zhong)斷(duan)接(jie)地(di)環(huan)路(lu)並(bing)將(jiang)接(jie)地(di)電(dian)壓(ya)差(cha)隔(ge)離(li)的(de)電(dian)子(zi)電(dian)路(lu)中(zhong)得(de)到(dao)廣(guang)泛(fan)使(shi)用(yong)。設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)現(xian)在(zai)擁(yong)有(you)許(xu)多(duo)用(yong)來(lai)進(jin)行(xing)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)隔(ge)離(li)的(de)選(xuan)擇(ze)，包(bao)括(kuo)TI推出的ISO72x係列，其在信號速率

、電介質擊穿電壓
、瞬態抗擾度
、功耗

、磁場抗擾度以及可靠性等重要特性方麵均表現不俗。表6對本報告中所討論實例的這些特性進行了總結。