1.1 隔离介绍

[音乐播放] 大家好，欢迎观看 TI高精度实验室视频。 TI 的高精度实验室视频节目 是面向工程师的综合在线课程。 这段视频将介绍有关 电隔离的基本问题。 如需查看更多视频和主题， 请访问 ti.com/precisionlabs。 此高精度实验室主题将会解答以下 问题： 什么是电隔离？ 何时需要电隔离？ 有哪些隔离方法？ 有哪些隔离技术？ 如何获知我的系统是否需要隔离？ 什么是电隔离？ 当两个器件或电路正在进行通信时， 直流电流和交流信号通常可以自由流动。 在低压系统中，这是能让系统的 两个部分正常工作的安全方法。 但是，当高压进入系统的一个或多个部分时， 自由流动的直流电流和一些交流信号 可能会很危险。 高压的存在可能会引入 明显的电势差，进而可能会 导致有破坏性的直流电流或 有害的交流电流流到系统的其他部分。 这可能会导致错误或造成危险的运行 条件。 在这些情况下，需要电隔离。 电隔离是一种防止系统两部分之间的 直流电流和有害的交流电流， 同时仍允许在这两个部分之间进行 信号和电源传输的方法。 隔离器是用于进行隔离的电子器件 和半导体 IC。 何时需要隔离？ 出于多种原因，现代电气系统需要 实施隔离。 例如，在一些情况下需要防止对操作人员 造成电击，保护昂贵的处理器、AC 或 FPGA 免受高压系统损坏的风险， 中断接地回路和通信网络， 比如电机驱动器或电源转换器系统。 让我们看一下电路之间使用电隔离的 三个主要原因。 首先，使用电隔离是为了确保安全。 隔离可防止电流从高压 电位元件通过人体 流到地面。 如果环境中存在操作人员 且设备在高压下运行或暴露于 高压下，包括潜在的雷击 危险，那么就需要进行 电保护。 通过对电路进行电隔离， 可以保护操作员和其他电路 免受潜在的致命性或破坏性电流的 影响。 第二个使用电隔离的原因 是为了解决接地电位差， 也称为接地回路，这种问题可能会 导致通信子系统之间的不准确性或中断。 当系统的接地方案中发生意外的 物理连接时，就会产生接地回路。 这会在电路之间形成多个接地路径。 此示例使用了一个 RS485 接口 与微处理器或 MCU进行通信。 虽然 RS485 接口可以处理 事先定义的以已知接地端为基准的 负 7 伏到 12 伏电压范围，但现实情况 是两个电路之间的接地电位可能会 发生变化。 这样从一个电路到另一个电路的 接地电位变化会产生一个电压差， 而跨越很长电缆长度的这种电压差会导致电流流动。 当电流流过接地回路时， 可能会出现明显的电压差，进而导致 数据通信错误。 接地链路还能提供 可用作天线的路径，从而 引起环境噪声干扰。 环境噪声的最常见示例 是 50/60 赫兹噪声，这样的噪声 可能会在系统接地端拾取和产生有害电流。 数字隔离器用于断开接地回路， 从而防止噪声拾取并保持通信 完整性。 第三个最常使用电隔离的原因 是为了提高电路的抗噪能力。 尽管在许多情况下，接地回路的影响 可能会成为某一类别的噪声源， 但噪声干扰的主要来源 是系统内的瞬态行为。 例如，由于电机控制开关而发生瞬态时， 可能会在信号路径上产生高摆率 瞬态电压。 这种情况通常会产生共模电压瞬态， 因此需要一种具有高共模瞬态抗扰度 (CMTI) 的 隔离器。 这种抗噪特性用于保持信号完整性。 供应商的数据表中会指定 CMTI 的规格， CMTI 规格越高，器件的抗噪性 就越好。 对于电路隔离，有两种隔离方法： 模拟隔离或数字隔离。 有多种拓扑方案可用于 隔离模拟输入或数字输入。 如何选择适合的解决方案取决于系统设计的 优先考虑因素。 模拟隔离可以隔离位于模数转换器 (ADC) 输入前面的模拟信号， 然后，ADC 将该信号进行数字化。 隔离式放大器或隔离式 ADC 最常用于隔离通常来自分流电阻器 或传感器输入的模拟信号。 由于隔离栅位于 ADC 的前面， 因此必须注意，输入增益放大器 在输入信号中产生的任何误差 也都会被ADC 数字化。 在确定实现目标设计分辨率 所需采用的精度时，必须考虑到这一点。 我们可以使用模拟隔离来避免放大器增益误差， 为此可以选择诸如隔离式 Δ-Σ 调制器之类的 隔离式数据转换器来直接采样模拟输入 信号。 这些解决方案通过优化设计， 直接连接到分流电阻器或其他低压电平信号源， 因此可以实现高分辨率的隔离式 输入。 高精度实验室系列的隔离式放大器和 调制器部分提供了有关隔离式放大器 和数据转换器的更多信息。 数字隔离是隔离数字输入信号的 方法。 隔离器跨过微处理器与 FPGA 中间的 ADC 之后的隔离栅 传输数字通信，然后再 传输至 FET 和栅极驱动器。 当今，对信号进行模拟隔离 和数字隔离所采用的三种主要技术是： 光学隔离、电感隔离和电容隔离。 每种技术使用具有不同 电介质强度的不同绝缘体材料。 电介质强度是用来描述材料 在不经历电击穿和 变为导电状态的情况下 可以承受的最大外加电场的 量度。 此参数的单位为伏特 RMS/微米。 电介质强度的值越高， 隔离器越稳健。 此处显示的是一个光隔离器，也称为光耦合器， 其中包含一个输入 LED、一个接收光电探测器 和一个输出驱动器。 驱动器电路和 LED 电路 通常使用互补金属氧化物半导体技术 或称为 CMOS 技术构建而成。 光耦合器的隔离栅通常 用空气、环氧树脂或模塑化合物构成。 光耦合器的输入和输出 都需要一个通过阳极和 集电极引脚连接的单独电源， 还需要一些通常通过阴极或 发射极引脚连接的单独接地端， 目的是保持输入和输出之间的 信号隔离。 光耦合器在以下情况下会发生 内部通信：光电耦合器 应用 CMOS 逻辑并产生输入侧电流， 随后该电流会产生成比例的 LED 输出， LED 输出通过模塑化合物隔离层， 然后到达接收光电探测器并输出。 因为光隔离依赖于光传输， 所以光耦合器的通信速率通常 低于电容隔离或电感隔离的 通信速率。 这主要是因为传输速率 受限于 LED开关速度。 与所有 LED 一样，随着时间的流逝， LED 的使用会导致信号减弱， 从而限制长期通信功能。 电流传输比 (CTR)参数用于 描述一段时间内输出电流相对于 输入电流的行为。 对于需要实现长工作寿命的系统， 要么必须通过校准系统来考虑 CTR， 要么必须对系统进行过度设计 以确保光强度足以满足所需的 工作寿命。 电感隔离器基于变压器技术， 使用一种称为聚酰亚胺的绝缘材料。 逻辑输入用于产生 电磁场并跨电感变压器隔离层 传输成比例的能量信号。 电容隔离基于通过高频载波 跨二氧化硅或 CMOS 隔离层 进行的能量传输。 一个数字输入信号被施加和调制， 然后跨隔离栅进行通信。 然后会在输入端产生 与被测信号的电平成比例的输出。 由于电容隔离器采用绝缘性最高的 绝缘材料设计而成，因此这类隔离器 可提供高数据速率、低热剖面 和长使用寿命。 要了解有关数字隔离技术和 架构的更多信息，请观看高精度实验室视频 “什么是数字隔离器？” 组件级隔离要求 主要取决于系统本身的 高电压额定值，需要注意的是， 尽管组件隔离标准 和系统级标准是相辅相成的， 但它们并不相同。 组件级标准 与器件及其隔离认证级别有关， 而系统级标准由行业标准机构确定， 机构准则中涉及环境法规、 区域法规和国际法规 以及终端设备的特定要求。 要确定系统所需的 组件隔离级别， 首先需要了解用于确定所需 组件级额定值的系统级认证要求。 组件级认证和额定值 可在供应商的网站上获得。 高精度实验室的电隔离介绍 到此结束。 我们讨论了电隔离的定义， 何时需要电隔离，电隔离的方法 和类型，以及电隔离 标准和认证级别的 简介。 谢谢观看。 在下面的网址中可以浏览此主题以及其他隔离主题： www.ti.com/isolation。 请继续观看视频并参加电隔离测验。 问题 1，判断对错： 电隔离可防止 信号在两个电路之间传递。 错。 电隔离用于使信号通过， 但阻止直流电流和有害的杂散交流 电流。 问题 2. 在系统中使用电隔离的 第一个原因是什么？ 安全性和高压保护。 问题 3. 对于具有高电位差的系统， 如何使用隔离来最大限度减少流过系统的 不必要电流？ 隔离器可用于断开接地回路， 这些回路会导致不想要的噪声和电流。 “什么是电隔离？”高精度实验室测验 到此结束。 在 ti.com/precisionlabs 上可以浏览更多主题。