隔離信號(hào)和電源的4個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題

高壓電路設(shè)計(jì)需要通過(guò)隔離來(lái)保護(hù)操作人員、與低壓電路進(jìn)行通信并消除系統(tǒng)內(nèi)不必要的噪聲。數(shù)字隔離器提供了一種簡(jiǎn)單可靠的方法，可以在工業(yè)和汽車應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高壓隔離通信。

要保持信號(hào)通過(guò)隔離柵的完整性，需要隔離電路初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的所有耦合路徑，包括電源。雖然數(shù)字隔離器的次級(jí)側(cè)通常需要很少的電源，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)者常常會(huì)增加額外的電源余量，以便為多個(gè)設(shè)備供電。

在本文中，我將分享在隔離信號(hào)和電源設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題，并簡(jiǎn)要概述可用的分立式和集成式器件。

圖1 數(shù)字隔離器的內(nèi)部架構(gòu)包括一個(gè)分離式引線框，需要獨(dú)立的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)電源

問(wèn)題1：為什么要隔離數(shù)字隔離器的電源？

數(shù)字隔離器的內(nèi)部架構(gòu)由兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)字集成電路 (IC) 組成，位于分離式引線框上，它們之間有一個(gè)高壓隔離電介質(zhì)屏障，如圖1所示。每個(gè)IC都需要為設(shè)備的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)提供單獨(dú)的電源和接地，它們之間沒(méi)有物理連接。此要求與器件支持基本隔離還是增強(qiáng)型隔離無(wú)關(guān)，適用于數(shù)字隔離器以及具有集成接口的隔離器件。

問(wèn)題2 數(shù)字隔離器的電源要求是什么？

在為數(shù)字隔離器解決方案選擇電源拓?fù)渲?，重要的是要確定電源的基本要求，包括輸入電壓范圍、輸出電壓、次級(jí)側(cè)所需的輸出功率和輸出軌的數(shù)量。與非隔離電源解決方案相比，隔離電源解決方案的其他考慮因素包括系統(tǒng)絕緣額定值、所需的爬電距離和間隙距離，以及靜電放電和系統(tǒng)的發(fā)射性能等電磁兼容性要求。行業(yè)終端設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)對(duì)上述多種要求進(jìn)行了規(guī)定。

數(shù)字隔離器的輸入和輸出信號(hào)電壓通常取決于它們所施加的電源電壓，并且通常與次級(jí)側(cè)的電源電壓(VCC)有直接關(guān)系。在最終確定電源輸入和輸出要求之前，我建議仔細(xì)查看數(shù)字隔離器數(shù)據(jù)表中的電源要求。針對(duì)接口元件的邏輯電平來(lái)優(yōu)化數(shù)字隔離器也是一個(gè)好主意。例如，為與微控制器連接的數(shù)字隔離器提供5V電壓時(shí)，選擇在次級(jí)側(cè)也使用5V或接近5V邏輯電平的信號(hào)。

問(wèn)題3 次級(jí)側(cè)電源可以用作隔離電源嗎？

在某些情況下，只要滿足隔離器邏輯電平的最低要求，系統(tǒng)中的兩個(gè)獨(dú)立電源軌即可用作初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)電源。其中包括與輸入和輸出信號(hào)電平相匹配的電源電壓電平，每個(gè)電平均提供單獨(dú)的接地。雖然可以使用現(xiàn)有的次級(jí)側(cè)電源，但噪聲耦合和電源調(diào)節(jié)通常會(huì)成為一項(xiàng)問(wèn)題，設(shè)計(jì)者通常選擇設(shè)計(jì)已針對(duì)邏輯電平和系統(tǒng)噪聲性能進(jìn)行了優(yōu)化的隔離電源。

問(wèn)題4 隔離電源有哪些解決方案？

為數(shù)字隔離電路設(shè)計(jì)隔離電源時(shí)，可以使用的方案有許多。數(shù)字隔離器的電源解決方案包括反激式、H橋電感器-電感器-電容器、推挽式和集成式隔離數(shù)據(jù)和電源解決方案。

帶電源的ISOW7741數(shù)字隔離器、帶電源的 ISOW1412 隔離式RS-485收發(fā)器或帶電源的ISOW1044控制器局域網(wǎng)收發(fā)器等集成的隔離數(shù)據(jù)和電源解決方案都具有集成式直流/直流轉(zhuǎn)換器。這些器件旨在滿足國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)(CIPSR) 32 B類限制，而且其尺寸明顯小于分立式設(shè)計(jì)備選方案。為了在盡可能小的占用空間中實(shí)現(xiàn)高性能設(shè)計(jì)，無(wú)需在電路板上安裝變壓器、減小電路板尺寸和簡(jiǎn)化認(rèn)證等優(yōu)勢(shì)通常是不容忽視的權(quán)衡因素。

因此，雖然分立式解決方案在某些情況下可以提高效率和降低輻射發(fā)射，但最終節(jié)省空間和簡(jiǎn)化認(rèn)證的優(yōu)勢(shì)能夠加快上市速度。