中心議題：

• 光耦合器與數字隔離元件的比較
• 安全考量與設計

解決方案：

• 速度更快的隔離技術
• 高隔離電壓的耐壓值

工廠環境不僅吵雜，經常還有危險性。然而為了確保控製係統及其作業員的安全，我們仍須取得溫度
、壓力、流速和氣體濃度等重模擬資訊。如圖1所suo示shi，多duo種zhong調tiao變bian技ji術shu可ke用yong來lai將jiang模mo擬ni信xin號hao編bian碼ma，然ran後hou再zai穿chuan越yue隔ge離li層ceng傳chuan送song出chu去qu。編bian碼ma信xin號hao通tong過guo隔ge離li層ceng後hou
，就jiu由you濾lv波bo器qi或huo解jie調tiao器qi根gen據ju它ta來lai重zhong建jian模mo擬ni信xin號hao。這zhe類lei係xi統tong可ke直zhi接jie驅qu動dong安an全quan關guan機ji電dian路lu，並bing在zai某mou個ge參can數shu超chao出chu預yu設she臨lin界jie值zhi時shi自zi動dong關guan閉bi係xi統tong。反fan應ying時shi間jian對dui於yu這zhe些xie係xi統tong很hen重zhong要yao，它ta通tong常chang是shi由you隔ge離li元yuan件jian的de延yan遲chi時shi間jian所suo決jue定ding。

圖1：隔離式模擬信號擷取
　
如圖2所示
，音頻、shipinhemadakongzhidengxuduoqitaxitongyehuishiyonggeliyuanjian，zhibuguotamentongchangshiyonggeliyuanjianjiangjiedihuilujianzhizuiduanyizengqiangxitongziliaochuanshudewanzhengxing。zhexiexitongduobanshiyong8或16位元高解析度(高傳真音頻係統使用24位元)和100ksps到數個Msps產出的模擬數字轉換器和數字模擬轉換器。設計人員則會根據目標係統的品質要求和預算限製來選擇這些模擬數字轉換器和數字模擬轉換器。

舉例來說，典型音頻係統的DSP必須從光碟讀取數字內容，然後處理這些資訊以便加入適當音效(2
、4或8聲道音頻)，最後再將處理完成的位元串流送到音頻數字模擬轉換器(圖1的濾波器/解調器)。數字模擬轉換器輸出的模擬信號接著會送到揚聲器，重新產生使用者想聽的聲音。如前所述，許多音頻係統(尤其是24位元高傳真係統)喜歡將DSP電路的接地麵與電源(揚聲器)接地麵隔離。這項技術是用來將接地回路的拾取信號減至最少，進而降低背景噪音和嗡嗡聲。


圖2：模擬數字轉換器與處理器之間的隔離控製範例
　
音頻與視頻係統也需要高速和延遲時間最小的隔離資料傳輸以確保原始音頻或視頻內容能夠忠實再生。音頻係統通常使用48ksps模擬數字轉換器
，視頻係統則需要資料速率更高的轉換器–它們多半是速率1Msps到10Msps的資料轉換器。我們需要140Mbps隔離元件才能將序列編碼的14位元、10Msps資料串流傳送通過隔離層，這隻有現代數字隔離元件才能做到。

光耦合器與數字隔離元件的比較

光耦合器和數字隔離元件都能用於隔離和提供一條跨越隔離層的通信鏈路。這兩種技術都有其各自優點。

光耦合器

光耦合器是能夠跨越隔離層傳輸信號的一種裝置
，主要由光發射器和光偵測器組成(參考圖3)。這zhe兩liang種zhong元yuan件jian通tong常chang會hui整zheng合he到dao同tong一yi個ge封feng裝zhuang，但dan它ta們men之zhi間jian除chu了le光guang束shu之zhi外wai不bu會hui有you任ren何he電dian氣qi或huo實shi體ti連lian接jie。光guang發fa射she器qi大da都dou是shi發fa光guang二er極ji管guan
，光guang偵zhen測ce器qi的de種zhong類lei比bi較jiao多duo
，但dan多duo半ban由you光guang電dian二er極ji管guan或huo光guang電dian晶jing體ti擔dan任ren。


圖3：典型的光耦合器連結電路
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光耦合器多年來都是本質安全型係統(intrinsicallysafesystem)的主要隔離元件。模擬光耦合器可將模擬信號傳送通過隔離層


，這些光耦合器隻要傳輸速率在100kbps以下就具有成本相對較低的優勢。不幸的是
，光耦合器會佔用很大的空間(每個封裝通常隻能提供一個通道，還需要多顆離散元件支援)，資料產出也相當有限(最多僅數十個Mbps)。更糟的是，光耦合器需要多顆離散零件與它搭配，其效能還會隨著環境溫度的增加而下降。

隨著係統溫度升高

，光耦合器的驅動電流需求在許多情形下會增加一倍，這是因為電流傳送比(CTR，代表輸入信號傳送到輸出端的比值)會隨著溫度從25℃升高至100℃而er減jian少shao六liu成cheng。這zhe會hui增zeng加jia光guang耦ou合he器qi驅qu動dong電dian流liu和he係xi統tong散san熱re需xu求qiu。這zhe種zhong溫wen度du變bian化hua在zai馬ma達da控kong製zhi應ying用yong中zhong極ji為wei常chang見jian。光guang耦ou合he器qi雖sui然ran受shou到dao許xu多duo限xian製zhi，但dan它ta們men通tong常chang都dou能neng提ti供gong3kV的電壓隔離能力，耗電量則隻有數百毫瓦。


圖4：射頻偶合器概要圖
　
數字隔離元件提供單向、高靈敏度
、穩定和可重複的切換點，它會使用標準CMOS晶片級技術製造內部變壓器以便利用氧化矽提供電氣隔離。射頻耦合器高達150Mbps的峰值資料速率比傳統光耦合器超過10倍以上。另外
，射頻耦合器采用的CMOS技術還能繼續升級以支援未來更高資料產出。

射頻耦合器的暫態耐受性超過30kV/μs，光耦合器隻有10kv/μs。它們還提供2500VRMSdedianqigelinengli。shepinouheqidezhichengcanshubijiaoburongyishoudaozhichengxiaoyingyingxiang，guduiwendubiandongdedikangnengliyeyouyuguangouheqi，xuduoshepinouheqidecaozuowenduzuigaodounengdadao125℃。xiangjiaoyuguangouheqi，shepinouheqidezuidayoudianzaiyutijigengjingqiao。tamentongchangshiyongmeigetongdaojinxuhenxiaojinglimianjidefangshizhizao，xuduochanpinshenzhihai採yongSOIC封feng裝zhuang技ji術shu，這zhe使shi得de每mei個ge封feng裝zhuang都dou能neng提ti供gong多duo個ge通tong道dao。射she頻pin耦ou合he器qi的de缺que點dian是shi操cao作zuo範fan圍wei相xiang當dang有you限xian，這zhe使shi它ta們men在zai高gao電dian壓ya產chan品pin的de應ying用yong受shou到dao極ji大da限xian製zhi。射she頻pin耦ou合he器qi通tong常chang隻zhi能neng使shi用yong5V電壓操作。圖5顯示數字隔離元件對於電路板麵積的影響。


圖5：光耦合器與數字隔離元件的布局比較

表1：光耦合器與數字隔離元件的比較
　
安全考量

這類應用(尤其是需要本質安全的應用)多數都需要2500VRMS的隔離能力才能保護使用者不受電擊。舉例來說，220-240V應用就需要兩倍保護能力以確保作業員安全。為了提供兩倍的隔離保護，終端係統在安全超低電壓(SELV
，電壓<30VRMS)和危險電壓(電壓>30VRMS)之間的8毫米隔離邊界範圍內不能有任何銅線路通過。這個邊界區域應採用焊阻等均勻覆層，跨越這個邊界的任何裝置至少必須提供2500VRMS的隔離能力。除此之外，終端設備認證經常會包含兩種產品安全標準
，分別是測試與量測設備的IEC61010-1以及資訊科技設備的IEC60950-1標準。

為減少終端產品通過IEC61010-1和60950-1認證所需的時間與成本

，隔離元件通常會先接受CSA國際驗證部(CSAInternational)UnderwriterLaboratories的ComponentPrograms以及CertificationInstitute的VDETesting認證。這類零件認證程序多半極為嚴格，它們通常包含JEDEC型樣認證以及由獨立測試機構執行60秒額定隔離電壓的耐壓測試(hi-pottesting)。完成初步認證後，認證機構還會到廠商的生產廠房進行現場核查，他們會讓隔離元件在額定隔離電壓下接受1秒的生產耐壓測試以確保符合標準要求。常見的零件認證標準包括：UL1577

、CSA#5A和VDE60747-5-2。

數字控製係統需要速度更快的隔離技術。然而正如本文所述，目前要在各種音頻、視頻和工業係統中實作高速隔離層卻會在頻寬方麵遇到許多瓶頸。設計人員在發展本質安全型係統(intrinsicallysafesystem)shikeliyongliangzhongjiagoujiejuegeliyuanjianzaochengdepingjingwenti。zaisuoyououheqizhong，weiyouxinchuxiandeguijinggeliyuanjianjishucainengjiejuegeliziliaochanchudewenti。zongeryanzhi
，shuzigeliyuanjianjishutigongzuidichengben
、最小延遲時間、最高位元速率和最大整合度的隔離路徑。這項新出現的可擴充技術克服了使用隔離模擬資料傳輸時所須麵對的數字障礙。