隔離信號和電源的4個常見問題

高壓電路設(shè)計需要通過隔離來保護操作人員、與低壓電路進行通信并消除系統(tǒng)內(nèi)不必要的噪聲。數(shù)字隔離器提供了一種簡單可靠的方法，可以在工業(yè)和汽車應用中實現(xiàn)高壓隔離通信。

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

在本文中，我將分享在隔離信號和電源設(shè)計時經(jīng)常出現(xiàn)的問題，并簡要概述可用的分立式和集成式器件。

問題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)由兩個獨立的數(shù)字集成電路 (IC) 組成，位于分離式引線框上，它們之間有一個高壓隔離電介質(zhì)屏障，如圖1所示。每個IC都需要為設(shè)備的初級側(cè)和次級側(cè)提供單獨的電源和接地，它們之間沒有物理連接。此要求與器件支持基本隔離還是增強型隔離無關(guān)，適用于數(shù)字隔離器以及具有集成接口的隔離器件。

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

問題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撲之前，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)備標準對上述多種要求進行了規(guī)定。數(shù)字隔離器的輸入和輸出信號電壓通常取決于它們所施加的電源電壓，并且通常與次級側(cè)的電源電壓(V_CC)有直接關(guān)系。在最終確定電源輸入和輸出要求之前，我建議仔細查看數(shù)字隔離器數(shù)據(jù)表中的電源要求。針對接口元件的邏輯電平來優(yōu)化數(shù)字隔離器也是一個好主意。例如，為與微控制器連接的數(shù)字隔離器提供5V電壓時，選擇在次級側(cè)也使用5V或接近5V邏輯電平的信號。

問題3：次級側(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)中的兩個獨立電源軌即可用作初級側(cè)和次級側(cè)電源。其中包括與輸入和輸出信號電平相匹配的電源電壓電平，每個電平均提供單獨的接地。雖然可以使用現(xiàn)有的次級側(cè)電源，但噪聲耦合和電源調(diào)節(jié)通常會成為一項問題，設(shè)計者通常選擇設(shè)計已針對邏輯電平和系統(tǒng)噪聲性能進行了優(yōu)化的隔離電源。

問題4：隔離電源有哪些解決方案？

為數(shù)字隔離電路設(shè)計隔離電源時，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際無線電干擾特別委員會(CIPSR) 32 B類限制，而且其尺寸明顯小于分立式設(shè)計備選方案。為了在盡可能小的占用空間中實現(xiàn)高性能設(shè)計，無需在電路板上安裝變壓器、減小電路板尺寸和簡化認證等優(yōu)勢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)省空間和簡化認證的優(yōu)勢能夠加快上市速度。