隔離技術的特性與在傳感器中的作用

各種新的物聯網應用的增長使許多設計人員面臨在傳感器和其他電子設備之間提供電流（歐姆）隔離的挑戰。這種隔離對于信號完整性，系統保護和用戶安全至關重要，但設計人員必須選擇三種主要的隔離技術：磁性，光學和電容屏障。

這些選項中的每一種都具有相似的性能特征，但在選擇它們之前，設計師需要欣賞微妙的差異。為此，本文將介紹隔離在傳感器中的作用，然后介紹各種選項，它們的不同特性以及如何應用它們。

它還將介紹數字隔離，并提供更多示例數字隔離器。

隔離的基本要點

當傳感器或傳感器子電路“隔離”時，它與電路的其余部分之間沒有電氣路徑，并且是基本的使用歐姆表進行測量將顯示兩個部分之間沒有電流（圖1）。作為這種障礙的結果，挑戰在于將信號從隔離的子電路獲得到系統的其余部分。在許多情況下，還有一個額外的挑戰：為隔離的子電路供電，而不需要通過電源子系統實現“偷偷摸摸的路徑”，這將抵消任何隔離。

圖1：在隔離系統中，未接地的傳感器和系統之間沒有電流路徑（可能接地），但信息承載能量某種類型必須從一方到另一方。 （圖片來源：Digi-Key，基于www.ee.co.za的原始材料）

隔離的原因包括：

傳感器處于“浮動”狀態不得與系統“接地”有任何聯系（系統“普通”是一個更準確的術語，但“地面”是這里常用的誤稱）。

即使系統是電池供電的，也是如此沒有連接到“交流接地”，如果傳感器輸出位于高共模電壓（CMV）之上，則可以輸出。這個CMV會損壞其余的電子設備。例如，單個電池單元的電壓位于串聯堆疊的頂部。

傳感器可能無意中連接到高壓電源或甚至AC線路。這不僅會損壞電子設備，還會給用戶帶來風險。

幸運的是，有一些可行的選項可以實現模擬傳感器隔離，提供低級和高級隔離，幾十伏到幾千伏。后者在大眾市場應用中是必需的，例如EV/HEV，并且通常用于監管安全要求。提供隔離的三種最常用方法是使用磁性，光學和電容技術，每種技術的額定電壓均高于1000 V或更高。

這些技術在其主要性能屬性方面存在顯著重疊，但也存在一些差異。關于哪一個在應用中最合適的決定通常是困難的。

需要考慮的因素包括帶寬，尺寸和占位面積，成本，隔離等級（伏特），壽命等級和個人“ “找到性能參數的正確平衡取決于應用。例如，電池監控不需要快速響應，而高速測試傳感器則需要快速響應。

磁隔離：起點

磁性隔離使用變壓器，是最古老的技術;多年來，這是唯一的技術。隔離變壓器通常具有1：1的匝數比，并且可以相當小，因為它處理信號而不是功率，并且耗散非常低。

由于變壓器不能通過DC，也不能處理非常低的頻率（除非它有一個大的核心），要隔離的信號不能直接應用于主（輸入）側。相反，如果需要，傳感器信號被放大，然后用于以更高的頻率（幅度調制）調制載波，或用于脈沖寬度調制（PWM）。

在輸出上（在次級側，使用常規技術解調信號以提取和恢復原始信號。必須為初級側提供隔離電源，因此通常有一個獨立的專用隔離側電源，而輸出側則使用系統電壓軌。

早期的插入式隔離式運算放大器是AD215 ADI公司（圖2）。其功能類似于非隔離運算放大器，但它提供1500 V（rms）隔離和120 kHz帶寬。它包含一個信號調制器，變壓器和信號解調器，以及一個隔離的直流電源。所有這些都需要提供電流隔離，但允許模擬信號從輸入側傳遞到輸出側。

圖2：在AD215內磁隔離器是一個信號調制器，變壓器和信號解調器，以及隔離的直流電源。 （圖像來源：ADI公司）

該器件具有±10 V（V）輸入/輸出范圍，額定增益范圍為1 V/V至10 V/V，并包含內部隔離前端的DC/DC電源，因此無需單獨供電。

雖然AD215主要用于開關電源的反饋環路，但也可用于電壓監控器，電機電流檢測和大型電池系統，所有這些都在400 kHz帶寬內（圖3）。

圖3：雖然主要用于AD215用于開關電源的反饋環路，也可用于電壓監控器，電機電流檢測和大型電池系統。此處顯示的AD210是功能相同的AD215版本，但規格寬松; AD620是一款精密儀表放大器。 （圖片來源：ADI公司）

在此類應用中，在測量電機檢測電阻兩端的電壓時，通常需要進行模擬隔離，以確定通過電機的電流。這是必要的，因為檢測電阻不是以地為參考，而是“浮動”，并且相對于地可能處于非常高的電位。

這些早期的磁性隔離器件使用了離散變壓器等等。相對較大且昂貴。較新的設計使用與IC封裝兼容的專有版平面共面變壓器。例如，ADI公司的ADuM3190隔離誤差放大器采用16引腳QSOP封裝，提供2.5 kV隔離額定值。它的平面變壓器彼此平行放置，以實現最大的能量傳輸（圖4）。

圖4：ADuM3190隔離誤差放大器的封裝外觀并且像IC一樣處理，但是包含硅芯片和一對平面變壓器，它們彼此平行放置以實現最大的能量傳遞。 （圖像來源：ADI公司）

雖然它看起來像標準運算放大器，但它實際上需要輸入信號并用它來產生一個通過平面變壓器的PWM信號。該PWM信號在次級側被解調和濾波，以產生模擬輸出信號。數據手冊包括相位和增益裕量的標準運算放大器Bode圖（圖5）。使用該器件（或類似器件）的設計人員可以期望通過標準放大器環路穩定性以及相關的建模和仿真。 Bode圖將有所幫助。

圖5：雖然它有一個復雜的，獨立的內部架構，ADI公司的ADuM3190在設計師看來是一個傳統運算放大器（圖像來源：ADI公司）

ADuM3190的額定工作溫度范圍為-40°C至+ 125°C，這在某些目標應用中已成為現實。請注意，由于隔離元件是剛剛纏繞的導線，因此傳統意義上沒有“磨損”機制，除非設備的操作超出其規格。

然而，所有絕緣材料最終都會損壞在一段足夠長的時間內，由于電壓應力，衰減速率是施加在電壓屏障上的電壓波形的大小和類型的函數。對于ADuM3190，供應商即使在最大額定雙極AC波形下也能保證50年的使用壽命，這比單極AC或相同幅度的DC更具壓力。

光隔離：更新的選擇

磁隔離的替代方案是光隔離，這在概念上很簡單：輸入側驅動LED，LED的輸出照射在共同封裝的光電晶體管上，輸出是光電晶體管電流（圖6）。封裝內LED和光電晶體管之間的短光路提供了所需的電流隔離。

圖6：光隔離器需要兩個有源元件：一個LED來源IR，一個光電晶體管將接收到的光子轉換成電流。電流隔離由封裝內的光路提供。 （圖像來源：Sunpower UK）

與基于變壓器的隔離一樣，輸入信號用于在數字模式下使用PWM或其他方法調制LED電流。 Broadcom（Avago）ACPL-C87B/C87A/C870系列光隔離放大器是可用于電流檢測電阻上電壓檢測的器件的一個很好的例子（圖7）。

圖7：Broadcom ACPL-C87B/C87A/C870系列中的光隔離器針對較低電平電壓，并使用Σ-Δ調制與斬波穩定放大器實現精度，準確度和一致性。 （圖像來源：Broadcom）

該系列中的隔離器具有2伏輸入范圍和高1GΩ輸入阻抗。這些規格使它們非常適合電源轉換器應用中的隔離電壓檢測要求，包括電機驅動和可再生能源系統。這些器件結合了光耦合技術和sigma-delta（Σ-Δ）調制，斬波穩定放大器和差分輸出，可提供高隔離模式噪聲抑制，低失調，高增益精度和穩定性。這些器件都采用拉伸SO-8（SSO-8）封裝。

這些器件非常適合功率轉換器應用，因為它們具有100 kHz帶寬（圖8）和高共模瞬態抗擾度（15 kV/μs）。這種瞬變在電機驅動中很常見。

圖8：使用其內部sigma-delta模數轉換技術，Broadcom ACPL-C87B/C87A/C870系列光隔離放大器可輕松實現100 kHz帶寬，平坦響應可達100 kHz。 （圖像來源：Broadcom）

電容隔離：最新選項

另一種隔離技術使用電容和電容器“板”之間的微小間隔進行隔離。由于IC和封裝技術的進步，近年來該技術已變得可行且具有成本效益。一個很好的實現示例是德州儀器ISO124。這是一款精密隔離放大器，其輸入和輸出部分通過內置于SOIC-16（或SOIC-18）表面貼裝塑料封裝中的匹配1皮法（pF）電容進行電隔離。

與其他模擬隔離放大器一樣，其高級功能圖很簡單（圖9）。

圖9：模擬隔離放大器的一個常用符號是ISO124數據手冊中使用的“分離”運算放大器;這清楚地表明輸入和輸出部分有自己獨立的“地面”（雖然“常見”將是更正確的名稱）。 （圖像來源：德州儀器）

同時，詳細的框圖顯示了用戶內部和不可見的復雜性（圖10）。

圖10：與磁性和光學隔離器件一樣，ISO124中有大量的模擬和數字電路，使其獨特的基于電容的隔離操作。 （圖像來源：德州儀器）

ISO124輸入是占空比調制的，并通過屏障以數字方式傳輸。輸出部分接收調制信號，將其轉換回模擬電壓并消除解調中固有的紋波分量。它具有0.010％的最大非線性，50 kHz信號帶寬和200微伏（μV）/°C VOS漂移，并且需要一個介于±4.5 V和±18 V之間的單電源。

與非隔離運算放大器，數據表包含表格數據以及有關各種條件下正弦波和階躍響應性能的圖形信息（圖11）。這些隔離設備的潛在用戶需要研究數據和圖表，以確保設備性能與應用程序需求相稱。

圖11：由于ISO124基于模擬器件的運算放大器性質，設計人員需要密切關注許多圖形和表格，包括標準正弦和階躍響應圖。 （圖片來源：德州儀器）

ISO124非常適合低速應用，例如在接收器端隔離4-20 mA電流回路上的電阻溫度檢測器（RTD）和熱電偶溫度傳感器的信號，并將其轉換為電壓（圖12）。

圖12：ISO124用于隔離通過標準4-20 mA電流回路連接的RTD，并將該電流信號轉換為0-5 V信號，用于控制系統兼容性。 （圖像來源：德州儀器公司）

溫度測量應用通常要求傳感器與系統電路的其余部分隔離，因為它們可能直接固定在高壓點上，例如電機外殼。然后，系統模數轉換器（ADC）將此電壓用于讀出或閉環控制，這兩種情況都是常見的工業情況。

做出決定

所有三種模擬隔離技術 - 磁性，光學和電容 - 都可以在合適的條件下提供出色的結果。設計師的困境隨后變成了如何在給定情況下決定“最佳”的那個。

要考慮的因素包括帶寬，預期壽命（故障或磨損時間），尺寸和功率要求。每種隔離技術都可以平衡這些屬性，并可能在一個系列中提供具有不同折衷的特定產品，從而使決策變得復雜。

關于電壓隔離的數量，所有三種類型都經過認證至少1 kV（一些去至5 kV甚至更高）并符合相關的監管標準（IEEE，VDE，CIE，UL，CSA）。因此，對于大多數物聯網應用而言，最大隔離電壓不是問題。如果這應該成為一個問題，可以使用經過認證可以獲得更高電壓的專業隔離器。

關于每種隔離技術，可以做一些一般性陳述，但對于每個聲明都有例外情況，以及供應商每種技術都有效且合法地論證了為什么他們的方法更好。一般來說：

磁隔離具有很長的使用壽命，其無源屏障可以承受遠大于連續電壓額定值的浪涌和尖峰。然而，由于其通過磁場的電感耦合，它可能易受外部磁場的干擾。一些較新的設計成功地將這個問題最小化，使得這些單元通過行業標準測試證明不具備這種干擾敏感性。

光隔離對電磁噪聲具有很高的抗擾度，但速度適中LED開關速度，功耗更高，以及對LED磨損的擔憂。最后一個問題是最嚴重的問題，因為LED在正常使用中會出現降級（變暗），典型的半亮度周期約為十年。然而，像Broadcom/Avago這樣的公司已經推動了LED材料的最新技術，因此保證滿足20年的規格，這通常足以滿足這種情況。

電容隔離對磁噪聲具有很高的抗擾度，與光隔離相比，它可以支持更寬的帶寬，因為沒有需要切換的LED。實際上，大多數物聯網傳感器應用都是低帶寬情況。電容耦合還涉及使用電場進行數據傳輸，因此可能容易受到外部電場的干擾。

模擬與數字隔離

到目前為止，我們已經看過了物聯網傳感器的模擬隔離技術（圖13）。

圖13：在模擬隔離拓撲中，傳感器信號仍然是模擬信息（無論在隔離器本身內發生了什么，直到它到達非隔離側，在那里它可以轉換成數字格式以供進一步使用。 （圖片來源：National Instruments）

然而，有一個基本的架構選擇：數字隔離，模擬傳感器的輸出在隔離側進行調節和數字化，然后數字輸出通過數字隔離屏障（圖14）。

圖14：另一種常用的方法是將隔離側的信號數字化，然后通過轉換通過數字隔離屏障產生。與模擬隔離設計相比，這允許實現非常不同的隔離功能。 （圖像來源：National Instruments）

與模擬隔離一樣，此屏障可以使用這三種技術中的任何一種，但其內部設計專門針對數字信號進行了優化，通?？梢灾С謹凳甅bps的數據。此外，對于數字隔離，存在新的第四類選項，其使用調制的RF載波而不是調制的（LED）光。 Silicon Labs的Si863x系列是這種器件的一個很好的例子（圖15）。

圖15：硅的Si863x系列數字隔離器實驗室使用調制的RF載波代替光來傳輸信號，同時提供隔離。 （圖片來源：Silicon Labs）

隨著ADC的成本下降，供應商已經對I 2 C和LVDS等接口進行了標準化，數字隔離的使用變得更具吸引力。缺點是隔離側需要更多電路。這意味著需要更多的隔離電源，增加了成本和占用空間。

然而，再次，低功耗高性能ADC的進步使這成為一個問題。標準接口數字隔離器，例如I 2 C的1 MHz ADUM1250和來自ADI公司的LVDS的600 Mbit/sec ADN4651，簡化了這種設計方案。在多芯片IC封裝中還有集成隔離的ADC，例如16位ADI公司的AD7401A，它使整個轉換和隔離過程對用戶透明。

最后，還有一個問題。多通道隔離。雖然許多物聯網應用只有一個或兩個傳感器需要隔離，但其他傳感器可能有四個，八個或更多。在這些情況下，聚合的單個模擬隔離器可能太大，成本高且耗電量大。

另一種方法是使用多通道ADC或帶有前端多路復用器的單通道器件，所有這些都是在隔離的一側，采用更高速度的數字隔離來傳輸結果。這可能比簡單的每通道隔離功能，空間和成本效益更高。

結論

模擬傳感器隔離是許多物聯網應用中的一個關鍵問題，用于信號完整性，系統安全性，以及用戶保護。三種可行的競爭技術可以實現隔離，每種技術在性能上提供了許多相似之處，但存在一些細微差別。在隔離側進行傳感器數字化的數字隔離也是許多應用中需要考慮的選擇。