测量高电压上的小信号，避免传感器接地回路

设计人员通常需要在存在高共模电压的情况下测量小电压，尤其是在使用电源和电机驱动器时。这与使用传感器时的接地环路问题有关，因为这两个问题都可以通过有效使用隔离放大器来解决。
 
隔离放大器在其输入和输出之间提供电流隔离，因此它们仅传输所需的信号并消除高共模电压。在基于传感器的监控系统中，它们保持传感器之间的接地隔离，以消除接地回路。它们常见于电源、电机控制器、远程电压检测、生物医学测量和远程数据采集。
为了解释隔离放大器的工作原理以及如何有效地应用它们，本文将介绍一种需要隔离的典型场景，然后再讨论三种常见的隔离方法;变压器耦合、光耦合和电容耦合。在此过程中，它将介绍每种方法的实用解决方案，并使用参考设计的最终示例。
典型电源场景
现代电源和电机驱动器需要在存在高共模电压的情况下测量小信号。设计人员如何使用FET 偏置超过 300 V 的电阻分流器测量推挽式 FET 功率驱动器的负载电流（图 1a）？
 
 
 

图1：在存在高共模电压 （a） 的情况下测量小压降和消除接地环路 （b） 是需要隔离的常见电路应用。 

上部（a）电路是用于控制电机或电机相位的典型功率驱动器。它通过改变脉冲波形对负载的占空比来控制功率。电源电压（HV+ 和 HV-）约为数百伏。分流电阻两端的电流检测电压，R分流，大约是10 毫伏，但它依赖于在 HV+ 和 HV- 之间摆动的脉冲波形。将此电压施加到接地仪表或电流检测放大器的输入端将超过共模电压限值，并可能损坏器件。

同样，设计人员如何测量多个电池堆叠顶部单个太阳能电池的电压输出？一旦共模电压超过80伏，就需要一些电气隔离手段将所需信号与其分离。

还要考虑如何将电路与接地环路问题隔离的问题（图1 b）。信号使用同轴电缆从左侧的发射器源连接到右侧的接收器。来自其他电路的杂散接地电流可能会找到通过连接两个接地的同轴屏蔽的返回路径。它们在电缆屏蔽串联阻抗上产生电压，导致 VG2 与 V 不同G1、导致接收端输入端出现错误。

这两种应用都需要能够隔离信号连接。解决方案在于隔离放大器，隔离放大器在其输入和输出之间提供电流隔离。它们仅传输所需的信号，并消除高共模电压。它们用于消除系统中的接地回路，保持电路元件之间的接地隔离。

隔离放大器的工作原理

隔离放大器是在其输入和输出电路（包括其相关电源）之间电隔离的放大器。这确保了输入和输出部分之间没有导电路径。它们在截面之间具有极低的泄漏，以及高介电击穿电压规格。输入级是一个差分放大器，用于衰减共模电压。它可以做到这一点，因为输入彼此在一伏以内，并且放大器是浮动的，而不是参考地。通过精心设计和布局，可以最大限度地减少部分之间的杂散电容耦合，这可以减少隔离。各部分之间的隔离由变压器、电容或光耦合提供（图2）。这些耦合方法通常会阻塞信号的直流和低频分量。通过使用输入信号调制载波并传输通过器件输出侧解调恢复的完整信号频谱，可以避免这一缺点。输入侧和输出侧均使用隔离电源。

图2：通用隔离放大器，显示了三种常用的隔离方法，包括变压器、电容或光耦合器。

所使用的调制技术取决于器件，但经常使用频率、脉冲宽度或Σ-Δ调制。Σ-Δ调制是最常见的。输入为差分，输出配置可以是单端或差分。请注意，隔离放大器的输入和输出部分具有单独的电源连接。通常，输入部分使用不以地为参考的“浮动”电源。保持良好的隔离要求电源隔离良好。

施加的输入和输出之间最大电压差的隔离放大器额定值通常针对持续的直流和交流电压进行指定。瞬态的最大施加电压与瞬态条件的时序分开指定。只要物理布局保持器件输入和输出引脚之间的建议间距，这些规格就适用，数据手册中对此进行了仔细说明。

变压器（磁）耦合

从历史上看，变压器耦合隔离是隔离电路的最古老方法。ADI公司的AD202JY是一款磁耦合隔离放大器（图3）。

图3：ADI AD202JY 使用变压器耦合，采用 1000 V 单非隔离电源实现 15 V 直流隔离。

AD202JY的最大隔离电压额定值为750 V RMS AC（60 Hz）和1000 V DC，外加连续交流。它使用双变压器，其中第一个用于信号路径。第二个将25 kHz载波从输出端耦合到输入侧，是调制器的载波。它还用于为输入部分生成双隔离电源输出。这满足了对单独隔离电源的需求。

放大器的增益可由用户设置在1 至 100 V/V 之间，其全功率带宽为 5 kHz。输出级是能够提供 ±5 V 电压的无缓冲差分输出。

光耦合

光耦合是在隔离放大器的输入和输出之间提供隔离的另一种可能性。隔离放大器的输入部分驱动发光二极管（LED），输出部分的光电晶体管从中吸收光（图4）。该链路完全是光学的，LED和光电晶体管之间没有电气连接。

图4：ACPL790X 隔离放大器系列的功能图显示了使用光链路在输入和输出之间提供电气隔离。 

ACPL790 系列隔离放大器将出色的光耦合与 Σ-Δ 转换器技术和斩波稳定放大器相结合，提供高压隔离、差分输出和 200 kHz 带宽。它具有 IEC/EN/DIN EN60747-5-5 工作绝缘电压，为 891 伏（峰值）。该系列中有三种产品的精度规格不同。ACPL-7900 提供 3% 的精度;ACPL-790A 的精度为 1%;ACPL-790B 的精度为 0.5%。

电容耦合

AMC1301 隔离放大器代表了获得隔离的第三种方法，即电容耦合（图 5）。

图5：AMC1301 在其增强型隔离栅的每个支路中使用两个串联电容器来提供容性隔离。 

AMC1301 是一款差分输出隔离放大器，隔离电压额定值为 1500 V（峰值）。隔离放大器的输入级由驱动Δ-Σ调制器的差分放大器组成。隔离时钟（载波）在内部派生。发射器（TX）驱动器通过双电容隔离栅传输数据。接收到的调制数据在低端与时钟进行解调和同步，并作为差分信号输出。AMC1301 具有 8.2 的固定增益和 200 kHz（典型值）的标称带宽。

与前面的讨论一样，AMC1301 的输入侧和输出侧需要隔离电源。

隔离接地回路

隔离放大器输入和输出之间的隔离可用于断开接地环路，如图1b所示。通过将隔离放大器放置在发射器和接收器之间，它们之间通过同轴电缆的接地连接断开，并且它们之间没有直接的接地路径（图 6）。

 图6：在发射器和接收器之间插入隔离放大器消除了由于原始同轴电缆连接而导致的接地环路。 

结论

隔离放大器无论是基于磁性、光学还是电容耦合，都是测量高共模电压上的小信号或隔离电路接地以消除带宽高达200 kHz系统中接地环路的有用工具。它们常见于电源、电机控制器、远程电压检测、生物医学测量和远程数据采集。

审核编辑 黄宇