引入隔离技术应对高电压系统

在一个高压电源系统里，我们首先考量的肯定是安全性。不管是汽车应用里通过隔离来实现敏感电子元器件与快速瞬变高压组件之间的安全通信的需求愈发明显，还是工业系统中对高压浪涌、大接地电位差、高侧组件通信以及共模瞬态数据的保护愈发迫切，器件隔离的引入才能实现安全可靠的运行。
 
为何引入隔离？
 
当两个设备或电路通信时，直流电流和交流信号通常自由流动。在低压系统中，这种工作方式是安全的。但当高电压进入系统时，高电压的存在会引入显著的电位差，自由流动的直流电流和一些交流信号就不再是安全的了。电隔离分隔电气系统，从而防止这些部分产生直流电流和有害的交流电流的同时仍允许信号和电源传输。
 
电路之间引入隔离的大致有三个主要原因，其一当然是满足安全法规确保安全，防止电流从高压电位元件通过人体流向接地，提高安全性。
 
第二个原因是为了解决接地电位差，也就是常说的接地回路，这可能导致通信子系统之间的不准确或中断。接地电位从一个电路到另一个电路的变化会产生电压差，当电流流过接地回路时，如果出现显著的电压差会导致数据通信出现错误。
 
第三个原因也和接地环路有关，隔离可以用来降低接地环路的噪声，提高电路抗噪性。50/60Hz的环境噪声会让系统抓取不需要的电流信息，隔离可以断开接地环路保证信号的完整性。这些是外部的噪声源，其实更大的噪声源来自内部，即系统内的瞬态行为。设备切换工作模式发生瞬态时，信号路径上就产生高转换率的瞬态电压。这一瞬态行为和隔离器件的CMTI直接挂钩。
 
不同等级的高电压隔离
 
想要在一个系统中构建可靠的隔离，需要考虑的因素很多，隔离的额定值、CMTI、EMI、电气间隙等等。按照分配给电气系统的隔离级别，有功能隔离、基本隔离、辅助隔离、以及增强型隔离。
 
功能隔离只会给系统分配极少的隔离，以便系统能够正常运行，但功能隔离并不能防止电击。这种等级的隔离仅仅满足设备正常运行所需的要求。基本隔离具有与最高系统级电压同等的安全等级，能够在满足系统正常运行的情况下提供足够的电击防护。
 
辅助隔离在基本隔离的基础上，添加了额外的独立隔离，主要是为了应对基本隔离出现故障时系统不至于受到损坏。增强型隔离是应用于高电压系统的最高商用等级，能够承受更高的电压测试标准和更长的额定寿命。
 
作为隔离应用里最重要的指标之一，CMTI体现了隔离器件在高速瞬变情况下可靠运作的能力。高性能隔离器件CMTI额定值很容易达到100V/ns，在一些隔离器件的测试中CMTI超过 200V/ns的也不少。这和宽带隙半导体的普及有很大关系，宽带隙半导体的普及使得隔离器件能够达到更高瞬变电压（dV/dt）的边沿速率。
 
常见的隔离办法
 
对于电路隔离，分为模拟和数字隔离。模拟隔离在ADC输入端前面提供隔离模拟信号，然后ADC输入将信号数字化，隔离放大器或隔离ADC常用于隔离模拟信号。通过隔离的数据转换器，模拟隔离可以避免放大器增益误差，调制器直接采样模拟输入信号，这种隔离可以实现高分辨率隔离输入。数字隔离是隔离数字输入信号的方法。数字隔离在电气隔离器状态下实现数字信号传递，提供电流隔离数字信号路径。
 

（光耦隔离器，Broadcom）

 
两种隔离里常用的隔离半导体技术是光耦、容耦和磁耦。每种技术使用具有不同介电强度的不同绝缘体材料。就光耦使用的绝缘材料来说，电介质强度都偏低，想要实现高级别的隔离要通过更多的物理分割。基于光耦的隔离，Broadcom作为行业龙头共模瞬变抗扰度行业指标在50 kV/µs，这已经属于光耦技术下很高的CMTI。光耦总是要在CMTI和拓展性上做出取舍。虽然光耦可以做到很高的数据速率，但这会在寄生电容上有所牺牲，功耗会升高，而且会大大降低光耦的CMTI。不过厚绝缘层的耐压优势让光耦的使用场景也很稳定。
 
由于电容天生就能阻断直流信号，因此电容隔离技术基于穿过电介质的交流信号传输可以使用更高阶调制等方案。作为三种技术中内部绝缘厚度最小的技术，基于二氧化硅的容耦比基于聚酰亚胺的磁耦厚度小了接近10µm。容耦采用片上电容原理实现信号的隔离传输，寿命长、功耗低、传输速率高。唯一的不足在于，在高压系统里，绝缘厚度是有限制意味着容耦的浪涌保护能力会比较有限。不过也有多层电容和多层钝化方法来提高容耦在高压浪涌上的可靠性。
 
磁隔离技术在需要高频直流/直流电源转换的应用中是最具有优势的，可以在大多数应用中传输超过数百毫瓦的功率，无需次级侧偏置电源，还能发送高频信号。改善传输延迟和延迟偏差这是其他隔离技术没办法实现的。
 
小结
 
在工业和汽车这种高压系统多的应用中，高等级的隔离能保护低电压电路免受高电压故障影响，中断接地回路来保持信号完整性，从而实现不同电压域之间的通信。随着高压系统电源管理的集成度越来越高，需要实现的隔离、保护功能也越来越多，不同技术的隔离器件在更小的IC封装尺寸、更高的集成度、更低EMI以及更高效率的需求之间需要做出权衡取舍。