信號隔離基礎(chǔ)知識
　　隔離信號對于提供以下設(shè)計關(guān)鍵功能是必要的：
　　防止高電壓： 隔離提供了介電屏障，在需要更高功率水平的系統(tǒng)中充當(dāng)高電壓的絕緣體。
　　電平轉(zhuǎn)換： 在不同電壓軌下運行的電路之間實現(xiàn)無噪聲數(shù)據(jù)傳輸是電子設(shè)計人員面臨的常見挑戰(zhàn)。盡管有許多非隔離電平轉(zhuǎn)換器可以解決這個問題，但使用隔離器具有幾個明顯的優(yōu)勢。隔離器是無噪聲、穩(wěn)健的解決方案，它們可以防止可能無意中打開或關(guān)閉設(shè)備的寄生路徑。
　　噪聲消除： 隔離產(chǎn)品將電路的接地電流（返回路徑）限制在屏障的一側(cè)，從而為另一側(cè)的敏感測量提供無噪聲環(huán)境。
　　系統(tǒng)注意事項

　　為了確保實現(xiàn)有效隔離，設(shè)計人員必須消除從一個電路（圖 1 中的電路 A）到另一需要隔離的電路（圖 1 中的電路 B）的所有可能的耦合路徑。因此，在隔離信號時，隔離電源同樣重要。對于電路設(shè)計人員來說，隔離信號面臨雙重挑戰(zhàn)：提供安全、可靠和準確的信號隔離以及電源隔離。有多種信號隔離解決方案可滿足設(shè)計人員基于數(shù)據(jù)速率能力、抖動限制、抗噪聲問題、高電壓能力以及遵守各種隔離組件安全標準的需求。然而，對于許多僅需要一瓦左右隔離功率的應(yīng)用來說，很少有易于實施的電源隔離解決方案可用。

　　

　　圖 1：許多設(shè)計都需要隔離信號和電源
　　應(yīng)用實例
　　工廠自動化系統(tǒng)依靠高效可靠的實時分布式網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)視和控制復(fù)雜的制造過程。圖 2 顯示了這些系統(tǒng)中使用的典型簡化層次結(jié)構(gòu)。工廠控制室中的人機界面 (HMI) 連接到中間控制器層，也連接到物理層，其中傳感器和執(zhí)行器作為電機驅(qū)動單元或由可編程邏輯控制器 (PLC) 控制的機器的一部分。

　　需要隔離的工廠自動化系統(tǒng)示例

　　圖 2：需要隔離的工廠自動化系統(tǒng)示例

　　物理層連接過程模塊中以及整個工廠車間或工廠的傳感器和執(zhí)行器。如圖 2 所示，基于 CAN 的總線與各種電機控制單元進行通信，而基于 RS-485 的總線 (PROFIBUS) 與工廠車間的各種機器進行通信。這些物理層通常用于工業(yè)自動化，因為即使在嘈雜的環(huán)境中它們也非常堅固，并且支持可能覆蓋數(shù)百平方米的工廠車間所需的長距離、多點通信。這些總線有多個節(jié)點，通過 CAN 或 RS-485 收發(fā)器連接到總線。隔離這些接口對于防止網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的高電壓、高電磁 (EM) 噪聲和大接地電位差至關(guān)重要。

　　圖 3 顯示了與處理器隔離的 RS-485 收發(fā)器節(jié)點的詳細框圖。設(shè)計人員經(jīng)常必須使用多個分立組件從頭開始設(shè)計自己的解決方案，為隔離器的次級側(cè)和隔離側(cè)的 RS-485 收發(fā)器提供隔離電源。
　　圖 3 中的收發(fā)器是一個半雙工設(shè)備，接收線和發(fā)送線連接在一起。它通過圖 3 中標記為 A 和 B 的差分 I/O 與 RS-485 總線進行通信。收發(fā)器通過其標記為 Rx（接收器）和 Tx（發(fā)送器）的單端數(shù)字 I/O 以及一個EN（使能引腳）信號控制發(fā)射器。
　　收發(fā)器通常具有兩到四個數(shù)字信號，需要快速、準確的數(shù)字隔離以及 0.5 W 到 1 W 的功率。該電源必須由具有以下特性的專用隔離電源提供：
　　緊湊型解決方案：根據(jù)特定應(yīng)用，空間可能非常寶貴。一般來說，較小的物料清單 (BOM) 對于可制造性、可靠性和成本來說總是更好。
　　高效率：擁有高效的緊湊解決方案對于限度地減少熱量并保持綠色能源標準非常重要。
　　低 EMI：將整個系統(tǒng)噪聲保持在限度對于敏感測量至關(guān)重要。為了根據(jù)特定用例微調(diào)發(fā)射頻譜，有一個可編程頻率選項，讓開發(fā)人員可以選擇 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率。
　　安全特性：在安全性是首要考慮的工業(yè)環(huán)境中，建議設(shè)備具有軟啟動選項以避免浪涌電流、限流功能以及熱檢測和在過熱情況下自動關(guān)閉。
　　多個隔離通道：隔離電源解決方案必須支持具有至少 2.5 kV rms 額定隔離能力的多個隔離通道，以滿足安全標準。即使在嘈雜的環(huán)境中，隔離器也必須具有出色的信號完整性。
　　電源和信號隔離解決方案
　　目前只有少數(shù)隔離產(chǎn)品能夠在緊湊性和供電能力之間取得適當(dāng)?shù)钠胶?，同時限度地減少排放和限度地提高效率。
　　圖 3 顯示了一種分立解決方案，該解決方案使用場效應(yīng)晶體管 (FET) 電源開關(guān)、脈寬調(diào)制 (PWM) 控制器、誤差放大器和用于反饋的光耦合器以及用于電源隔離的其他支持 BOM。此類解決方案非常常見，但是，這些解決方案必須從頭開始設(shè)計，需要專門的經(jīng)驗和技能，并且可能需要多次迭代才能正確。
　　隔離 RS-485 收發(fā)器
　　圖 3：隔離 RS-485 收發(fā)器
　　一些解決方案將數(shù)字隔離和電源變壓器集成到單個 IC 封裝中。這些空芯變壓器的耦合系數(shù)較差，必須以更高的頻率驅(qū)動才能提供等效功率。這種方法會產(chǎn)生更高的電磁干擾 (EMI) 發(fā)射曲線，這給許多設(shè)計人員帶來了障礙。此外，此類解決方案的電源轉(zhuǎn)換器效率通常較低，為 10-35%。在空間非常寶貴、“不關(guān)心”效率且高排放不是問題的應(yīng)用中，這些解決方案可能會起作用。但大多數(shù)情況下，這樣的解決方案并不實用。

　　具有集成 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的高速數(shù)字隔離器

　　圖 4：具有集成 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的高速數(shù)字隔離器
　　現(xiàn)在還有其他解決方案集成了信號隔離器和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，并設(shè)計為與分立變壓器配合使用。這些緊湊型單芯片解決方案針對效率和集成度進行了優(yōu)化，可提供高達 2 W 的功率，效率約為 78%。
　　例如，Silicon Labs 的 Si88xx 隔離產(chǎn)品將四通道數(shù)字隔離器與改進的反激式拓撲 DC-DC 轉(zhuǎn)換器（具有內(nèi)置次級傳感反饋控制）相結(jié)合。 Si88xx 器件采用抖動技術(shù)，旨在實現(xiàn)極低的排放。其他功能包括軟啟動功能，以避免啟動時出現(xiàn)浪涌電流、逐周期電流限制、過熱事件的熱檢測和關(guān)斷，以及用于減少開關(guān)損耗的周期跳躍，從而提高輕負載時的效率。
　　Si88xx 隔離器選項可用于 5 V 至 24 V 的各種電壓電平以及數(shù)字隔離通道及其方向性的各種組合。該解決方案利用 Silicon Labs 專有的信號隔離技術(shù)及其標志性的低 EMI 特性，提供高集成度、高效率和極低的 EMI。

　　用于隔離 RS-485 接口的 Si88xx 解決方案

　　圖 5：用于隔離 RS-485 接口的 Si88xx 解決方案
　　圖 4 提供了 Si88xx 隔離器的簡化框圖。除了四個高速數(shù)字隔離通道外，Si88xx 器件還集成了 DC-DC 控制器和內(nèi)部 FET 開關(guān)，可調(diào)節(jié)外部變壓器的功率。輸出側(cè)通過外部電阻分壓器納入反饋，以提供出色的線路和負載調(diào)節(jié)。 DC-DC 轉(zhuǎn)換器使用抖動技術(shù)來化 EMI 峰值，并使用零電壓開關(guān) (ZVS) 方案來地減少調(diào)制變壓器功率時的功率損耗。該器件在輕負載時使用周期跳躍來限度地減少開關(guān)損耗并提高效率。多種安全功能包括逐周期電流限制、避免浪涌電流的軟啟動和熱關(guān)斷。該器件還集成了多種用戶可編程功能，例如軟啟動時間控制、DC-DC 轉(zhuǎn)換器的關(guān)斷選項以及用于微調(diào) EMI 曲線的開關(guān)頻率控制。