如何为物联网传感器选择合适的电流隔离技术

各种新型物联网应用的增长使许多设计人员面临着在传感器和其他电子设备之间提供电流（欧姆）隔离的挑战。这种隔离对于信号完整性、系统保护和用户安全至关重要，但设计人员必须从三种主要隔离技术中进行选择：磁性、光学和电容式屏障。

这些选项中的每一个都具有相似的性能特征，但具有细微的差异，设计人员在选择它们之前需要了解这些差异。为此，本文将讨论隔离在传感器中的作用，然后介绍各种选项、它们的不同特性以及如何应用它们。

它还将介绍数字隔离，并提供数字隔离器的更多示例。

隔离的基本要素

当传感器或传感器子电路被“隔离”时，它与电路的其余部分之间没有电气路径，使用欧姆表进行基本测量时，两个部分之间没有电流流动（图 1）。由于这种屏障，挑战在于将信号从隔离子电路传输到系统的其余部分。在许多情况下，还有一个额外的挑战：为隔离子电路供电，而无需通过电源子系统进行“绕行路径”，这将否定任何隔离。

图 1：在隔离系统中，未接地的传感器和系统（可能接地）之间没有电流路径，但某种类型的信息承载能量必须从一侧传递到另一侧。（图片来源：Digi-Key，基于 www.ee.co.za 年的原始资料）

隔离的原因包括：

• 传感器是“浮动的”，不得与系统“接地”有任何连接（系统“通用”是一个更准确的术语，但“接地”是这里常用的误称）。* 即使系统由电池供电，因此没有连接到“交流接地”，如果传感器输出位于高共模电压（CMV）之上，则传感器输出也可能。此CMV会损坏其余的电子设备。例如，位于串联堆栈顶部的单个电池单元的电压。* 传感器可能会无意中连接到高压源甚至交流线路。这不仅会损坏电子设备，还会使用户处于危险之中。

幸运的是，有一些可行的选择来实现模拟传感器隔离，可提供从数十伏到数千伏的低电平和高级隔离。后者在大众市场应用中（如EV/HEV）中是必需的，并且通常用于监管安全要求。提供隔离的三种最常见方法使用磁性、光学和电容技术，每种技术的额定电压为 >1000 V 或更高。

这些技术在其主要性能属性方面存在显著重叠，但也存在一些差异。决定哪一个最适合申请通常是一个困难的决定。

需要考虑的因素包括带宽、尺寸和占用空间、成本、隔离额定值（伏特）、使用寿命等级和个人“舒适度”。找到性能参数的正确平衡取决于应用。例如，电池监控不需要快速响应，而高速测试传感器则需要快速响应。

磁隔离：起点

基于磁性的隔离使用变压器，是最古老的技术;多年来，这是唯一的技术。隔离变压器通常具有1：1的匝数比，并且可能相当小，因为它处理的是信号而不是电源，并且功耗非常低。

由于变压器不能通过直流，也不能很好地处理非常低的频率（除非它有一个大磁芯），因此要隔离的信号不能直接施加到初级（输入）侧。相反，如果需要，传感器信号被放大，然后用于以更高的频率调制载波（幅度调制），或用于脉宽调制（PWM）。

在输出（次级）侧，使用常规技术对信号进行解调，以提取和恢复原始信号。必须向初级侧提供隔离电源，因此通常有一个单独的专用隔离侧电源，而输出侧使用系统电源轨。

早期的嵌入式隔离式运算放大器是ADI公司的AD215（图2）。其功能类似于非隔离运算放大器，但提供1500 V （rms）隔离和120 kHz带宽。它包含一个信号调制器、变压器和信号解调器，以及一个隔离式直流电源。所有这些都需要提供电流隔离，同时允许模拟信号从输入侧传递到输出侧。

图 2：AD215 磁隔离器内有一个信号调制器、变压器和信号解调器，以及一个隔离式直流电源。（图片来源：ADI公司）

该器件具有 ±10 V 输入/输出范围，额定增益范围为 1 V/V 至 10 V/V，前端包括一个内部隔离式 DC/DC 电源，因此无需单独电源。

虽然AD215主要用于开关电源的反馈环路，但也可用于电压监控器、电机电流检测和大型电池系统，所有这些系统都在其400 kHz带宽内（图3）。

图3：虽然AD215主要用于开关电源的反馈回路，但也可用于电压监测器、电机电流传感和大型电池系统。这里所示的AD210是AD215的功能相同的版本，但具有宽松的规格；AD620是一种精密仪器放大器。

在这种应用中，当测量电机感测电阻器两端的电压以确定通过电机的电流时，通常需要模拟隔离。这是必要的，因为感测电阻器不是以地为基准，而是“浮动”的，并且可能相对于地处于非常高的电势。

这些早期的基于磁的隔离装置使用分立变压器，因此相对较大且昂贵。较新的设计使用与IC封装兼容的平面共面变压器的专有版本。例如，Analog Devices的ADuM3190隔离误差放大器封装在16引脚QSOP封装中，但提供2.5 kV隔离额定值。其平面变压器彼此平行放置，以实现最大能量传输（图4）.

图4：ADuM3190隔离误差放大器的外观和处理方式与IC相似，但包含硅管芯和一对平面变压器，它们彼此平行放置，以实现最大的能量传输。（图片来源：Analog Devices）

虽然它看起来像一个标准的运算放大器，但实际上它接收输入信号并使用它生成通过平面变压器的PWM信号。该PWM信号在次级侧被解调和滤波以产生模拟输出信号。数据表包括相位和增益裕度的标准运算放大器波特图（图5）。使用该设备（或类似设备）的设计者可以期望通过标准放大器环路稳定性和相关建模和仿真。博德的阴谋会有所帮助

图 5：尽管 ADuM3190 具有复杂的隔离式内部架构，但在设计人员看来，它是一款传统运算放大器（图片来源：ADI公司）

ADuM3190的额定工作温度范围为−40°C至+125°C，这在某些目标应用中是现实的。请注意，由于隔离元件是刚绕导线，因此没有传统意义上的“磨损”机制，除非设备超出其规格。

然而，由于电压应力，所有绝缘材料最终都会在足够长的时间内分解，退化速率与施加在电压势垒上的电压波形的大小和类型成函数。对于ADuM3190，即使在最大额定双极流波形下，供应商也能保证50年的使用寿命，这比相同幅度的单极流或直流压力更大。

光隔离：较新的选择

磁隔离的替代方法是光隔离，其概念很简单：输入侧驱动LED，LED的输出撞击共封装的光电晶体管，输出是光电晶体管电流（图6）。封装内LED和光电晶体管之间的短光路提供了所需的电流隔离。

图 6：光隔离器需要两个有源元件：一个用于源出 IR 的 LED，以及一个用于将接收到的光子转换为电流的光电晶体管。电流隔离由封装内的光路提供。（图片来源：Sunpower UK）

与基于变压器的隔离一样，输入信号用于使用PWM或其他方法在数字模式下调制LED电流。Broadcom （Avago） ACPL-C87B/C87A/C870系列光隔离放大器是可用于电流检测电阻两端电压检测的器件的一个很好的例子（图 7）。

图 7：Broadcom ACPL-C87B/C87A/C870 系列中的光隔离器针对较低电平电压，并使用 Σ-Δ 调制和斩波稳定放大器来实现精度、准确度和一致性。（图片来源：博通）

该系列隔离器具有2 V输入范围和1 GΩ高输入阻抗。这些规格使其非常适合功率转换器应用中的隔离式电压检测要求，包括电机驱动和可再生能源系统。这些器件将光耦合技术与Σ-Δ调制、斩波稳定放大器和差分输出相结合，可提供高隔离模式噪声抑制、低失调、高增益精度和稳定性。它们都封装在拉伸的 SO-8 （SSO-8） 封装中。

这些器件具有 100 kHz 带宽（图 8）和高共模瞬态抗扰度 （15 kV/μs），非常适合电源转换器应用。这种瞬变在电机驱动器中很常见。

图 8：Broadcom ACPL-C87B/C87A/C870 系列光隔离放大器采用其内部 Σ-Δ 模数转换技术，可轻松实现 100 kHz 带宽，平坦响应高达 100 kHz。（图片来源：博通）

电容隔离：最新选项

另一种隔离技术使用电容和电容器“板”之间的微小间隔进行隔离。近年来，由于IC和封装技术的进步，该技术已变得可行且具有成本效益。一个很好的实施示例是德州仪器。这是一款精密隔离放大器，其输入和输出部分通过内置于 SOIC-1（或 SOIC-16）表面贴装塑料封装中的匹配 18 皮法 （pF） 电容器进行电气隔离。

与其他模拟隔离放大器一样，其高级功能图很简单（图 9）。

图 9：模拟隔离放大器的一个常用符号是这种“分离式”运算放大器，用于 ISO124 数据手册;这清楚地表明输入和输出部分有自己独立的“理由”（尽管“通用”是一个更正确的名称）。（图片来源：德州仪器 )

同时，详细的框图揭示了内部内容的复杂性，用户不可见（图 10）。

图 10：与磁隔离器件和光隔离器件一样，ISO124 中存在大量模拟和数字电路，使其独特的基于电容的隔离能够正常工作。（图片来源：德州仪器）

ISO124输入经过占空比调制，并通过栅以数字方式传输。输出部分接收调制信号，将其转换回模拟电压，并消除解调中固有的纹波分量。它具有 0.010% 的最大非线性度、50 kHz 信号带宽和 200 μV （μV）/°C V操作系统漂移，需要 ±4.5 V 至 ±18 V 的单电源。

与非隔离式运算放大器一样，数据手册既有表格数据，也有各种条件下正弦波和阶跃响应性能的图形信息（图 11）。这些隔离器件的潜在用户需要研究数据和图表，以确保器件性能与应用需求相称。

图11：由于ISO124模拟设备的运算放大器性质，设计者需要密切关注许多图表，包括标准正弦和阶跃响应图。（图片来源：德州仪器）

ISO124非常适合低速应用，例如将信号与电阻温度检测器（RTD）和接收器端4-20 mA电流回路上的热电偶温度传感器隔离，并将其转换为电压（图12）。

图12:ISO124用于隔离通过标准4-20 mA电流回路连接的RTD，并将该电流信号转换为0-5 V信号，以实现控制系统兼容性。（图片来源：德州仪器）

温度测量应用通常要求传感器与系统电路的其余部分隔离，这是由于传感器直接固定在其上的潜在高电压点，例如电机外壳。该电压随后被系统模数转换器（ADC）用于读出或闭环控制，这两种情况都是常见的工业情况。

做出决定

所有三种模拟隔离技术 - 磁性、光学和电容式 - 都可以在适当的条件下提供出色的结果。然后，设计师的困境变成了如何在给定的情况下决定“最佳”的。

要考虑的因素包括带宽、预期寿命（故障或磨损时间）、尺寸和功率要求。每种隔离技术都平衡了这些属性，并可能在一个系列中提供具有不同权衡的特定产品，从而使决策复杂化。

关于电压隔离量，所有三种类型都经过认证至少 1 kV（有些达到 5 kV 甚至更高），并符合相关监管标准（IEEE、VDE、CIE、UL、CSA）。因此，对于大多数物联网应用来说，最大隔离电压不是问题。如果这成为一个问题，可以使用经过更高电压认证的专用隔离器。

对于每种隔离技术，可以做出一些一般性的陈述，但每种陈述都有例外，每种技术的供应商都会就为什么他们的方法更好提出有效和合法的论据。通常：

磁隔离具有非常长的使用寿命，其无源屏障可以承受远大于连续电压额定值的浪涌和尖峰。然而，由于其通过磁场的电感耦合，它容易受到外部磁场的干扰。一些较新的设计成功地将这个问题最小化到这样的程度，以至于使用行业标准测试对单元进行了这种干扰敏感性的认证。

光隔离对电噪声和磁噪声具有很高的抗扰度，但由于 LED 开关速度、更高的功耗以及对 LED 磨损的担忧，速度适中。最后一个问题是最严重的问题，因为LED在正常使用中确实会经历退化（调光），典型的半亮度周期约为十年。然而，像Broadcom/Avago这样的公司已经推动了LED材料的最新技术，因此保证在二十年内满足规格，这通常足以满足这种情况。

电容隔离对磁噪声具有很高的抗扰度，与光隔离相比，它可以支持更宽的带宽，因为不需要切换LED。实际上， 大多数物联网传感器应用都是低带宽情况.电容耦合还涉及使用电场进行数据传输，因此容易受到外部电场的干扰。

模拟与数字隔离

到目前为止，我们已经研究了物联网传感器的模拟隔离技术（图 13）。

图 13：在模拟隔离拓扑中，传感器信号保持为模拟信息（无论隔离器本身内部发生什么），直到到达非隔离侧，在那里可以转换为数字格式以供进一步使用。（图片来源：美国国家仪器公司）

然而，有一种基本的架构替代方案：数字隔离，其中模拟传感器的输出在隔离侧进行调理和数字化，然后数字输出通过数字隔离栅（图 14**）。**

图 14：另一种通常很有吸引力的方法是将隔离侧的信号数字化，然后将转换结果通过数字隔离栅。与模拟隔离设计相比，这允许非常不同的隔离功能实现。（图片来源：美国国家仪器公司）

与模拟隔离一样，该屏障可以使用这三种技术中的任何一种，但其内部设计专门针对数字信号进行了优化，通常可以支持数十Mbps的数据。此外，对于数字隔离，还有一个新的第四类选项，它使用调制RF载波代替调制（LED）光。Silicon Labs的Si863x系列就是这种器件的一个很好的例子（图 15）。

图 15：Silicon Labs 的 Si863x 系列数字隔离器使用调制射频载波而不是光来传输信号，同时提供隔离。（图片来源：硅实验室）

随着ADC成本的下降，供应商已经围绕诸如I^2^C和LVDS，使用数字隔离变得更具吸引力。缺点是在隔离侧需要更多的电路。这意味着需要更多的隔离电源，从而增加了成本和占用空间。

然而，低功耗高性能ADC的进步再次使这个问题变得不那么成问题。标准接口数字隔离器，例如用于I的1 MHz ADUM1250^2^ADI公司用于LVDS的C和600 Mbit/s的ADN4651简化了这一设计备选方案。多芯片IC封装中也有集成隔离的ADC，例如16位ADI公司的AD7401A，它使整个转换和隔离过程对用户透明。

最后，还有多通道隔离的问题。虽然许多物联网应用只有一个或两个需要隔离的传感器，但其他应用可能有四个、八个或更多。在这些情况下，单个模拟隔离器总体上可能太大、成本太高且耗电，

另一种方法是使用多通道ADC或带有前端多路复用器的单通道器件，全部位于隔离侧，具有更高速的数字隔离来传输结果。这可能比简单的每通道隔离更具功耗、空间和经济高效性。

结论

模拟传感器隔离是许多物联网应用中信号完整性、系统安全和用户保护的关键问题。三种可行的竞争技术可以实现隔离，每种技术在性能上都有许多相似之处，但有一些细微的差异。数字隔离，在隔离侧进行传感器数字化，也是许多应用中需要考虑的一种选择。

审核编辑 黄宇