在一些惡劣的高電壓、高功率工作環(huán)境中應(yīng)用傳感器傳輸信號(hào)，需要使用隔離器確保信號(hào)的完整。本文介紹并分析了光電隔離、磁隔離和電容式隔離這三種常見(jiàn)隔離技術(shù)的特性，比較了它們的差異，還著重介紹了電容式隔離方案的優(yōu)勢(shì)（更好的抗磁能力、更快的速數(shù)據(jù)傳輸、更高的信號(hào)完整性和低功耗）和應(yīng)用。

傳感器在一些高電壓系統(tǒng)中的應(yīng)用愈見(jiàn)廣泛，如屋頂太陽(yáng)能的逆變器、社區(qū)的電網(wǎng)、HVAC系統(tǒng)、又或是商業(yè)樓宇的自動(dòng)化空調(diào)系統(tǒng)等。在這些工作環(huán)境下，傳感器的數(shù)據(jù)傳送到控制器，如人機(jī)界面（HMI，Human Machine Interface）作分析。

可是，如果傳感器附近有一些高電壓存在，不僅會(huì)影響傳感器操作或損壞控制器，更有可能因發(fā)送傳感器的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤而導(dǎo)致嚴(yán)重的事故，特別是醫(yī)療設(shè)備，這可能會(huì)對(duì)用戶(hù)安全產(chǎn)生相當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。

為了防止高電壓和高功率危險(xiǎn)，設(shè)計(jì)中可以使用隔離器(isolator)作為系統(tǒng)的隔離屏障，使電壓信號(hào)在傳感器和控制器之間傳遞而不受共模電壓的影響，確保信號(hào)完整。

圖1，隔離器工作原理

還有一個(gè)關(guān)鍵原因是，現(xiàn)實(shí)中一些電信基礎(chǔ)設(shè)施需要高速地傳輸數(shù)據(jù)及信號(hào)，會(huì)涉及高功率，而使用隔離器可以令系統(tǒng)得到保護(hù)。

電流隔離是電氣系統(tǒng)中的一種隔離技術(shù)。在傳感器和其他電子設(shè)備之間提供電流隔離，可以防止直流或不受控制的瞬態(tài)電流影響。然而，傳感器傳遞的數(shù)據(jù)和能量仍然需要通過(guò)隔離屏障傳送。

電流隔離屏障有三種常見(jiàn)技術(shù)——光電隔離、磁隔離和電容式隔離。雖然這三種技術(shù)隔離屏障的介質(zhì)有所不同，但最終目標(biāo)都是相同的。

光電隔離 (或稱(chēng)光隔離)，是三種技術(shù)中使用最早的，并且易于使用。如下圖， 光隔離一般是采用光耦合器(簡(jiǎn)稱(chēng)光耦) 進(jìn)行隔離，以光為媒介傳遞信號(hào)。如Toshiba 的TLP291光耦透過(guò)發(fā)光二極管（LED）和光探測(cè)器，把信號(hào)轉(zhuǎn)換成以電 - 光 - 電形式傳遞，產(chǎn)生隔離作用。

圖2，光電隔離原理

然而光耦一般數(shù)據(jù)傳輸速率較低（因?yàn)長(zhǎng)ED需要時(shí)間開(kāi)啟），并且有較高的功耗，同時(shí)器件的性能表現(xiàn)會(huì)隨著使用時(shí)間增加而降低。此外，由于發(fā)光二極管的物理尺寸限制，光隔離器的尺寸難以減小。

相對(duì)與光隔離，磁隔離和電容式隔離都是以數(shù)字方式通過(guò)屏障傳輸數(shù)據(jù)。

磁耦是基于磁隔離技術(shù)的隔離器件，也成為磁隔離器。

圖3，磁隔離工作原理

我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，有些磁耦可以以高達(dá)100Mbps速度的脈沖電流通過(guò)隔離屏障，磁耦的數(shù)據(jù)傳輸速率特性可以在Digi-Key網(wǎng)頁(yè)內(nèi)找到。

圖4，磁耦數(shù)據(jù)速率參數(shù)查詢(xún)

但是要留意的是，磁耦的功耗會(huì)隨著數(shù)據(jù)速率增加而增加。它對(duì)電磁干擾也很敏感，而在HVAC系統(tǒng)和涉及電機(jī)的工廠(chǎng)自動(dòng)化環(huán)境中的磁場(chǎng)是很大。

與磁隔離一樣，電容式隔離具有用于編碼和解碼輸入AC信號(hào)的數(shù)字電路(如下圖)，利用可變的電場(chǎng)在隔離屏障中傳輸信息。

圖5，電容隔離工作原理

電容式隔離器無(wú)法傳遞直流信號(hào)，因此它們本身就是一個(gè)很好的隔離器。電容式隔離器不易受磁場(chǎng)噪聲影響，而仍然保持高數(shù)據(jù)速率和低功耗?？梢?jiàn)使用電容式隔離的好處是信號(hào)傳輸方面更有效率，對(duì)磁場(chǎng)有更好的抗擾度。

下圖比較了ADI的ADuM1100(磁隔離)和TI 的ISO72x(電容式隔離)的磁場(chǎng)抗擾度，雖然兩個(gè)例子在限定磁場(chǎng)下都不太受磁場(chǎng)影響，但I(xiàn)SO72x對(duì)磁場(chǎng)抗擾度有更好的表現(xiàn)。

圖6，磁隔離和電容隔離技術(shù)磁場(chǎng)抗擾度比較

無(wú)論是光隔離、磁隔離或是電容式隔離，只要在適當(dāng)?shù)臈l件下工作都可以達(dá)到很出色的隔離效果。下圖是一個(gè)三種隔離技術(shù)的簡(jiǎn)單比較：

表1，三種主流隔離技術(shù)的比較

傳感器要高速度傳輸信號(hào)，隔離是一個(gè)不可或缺的組成技術(shù)。特別是在惡劣的高電壓和高功率工作環(huán)境中，使用電容式隔離更見(jiàn)重要性，因?yàn)殡娙菔礁綦x：

更多有關(guān)隔離技術(shù)的資料，可參考digikey.com.cn官網(wǎng)上的文章：

· 大家都在用數(shù)字隔離器替代光耦，這是為什么？

· Common Mode Transient Immunity (CMTI) of an Isolator

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