用于电路保护的模拟隔离技术

电路保护是电路设计的一个领域，可以制造或破坏产品。虽然仿真电路的行为符合预期，但现实生活远非理想。在本文中，我们将探讨模拟隔离、为什么可能需要它，以及如何在下一个设计中最好地实现它。

模拟隔离并非易事，设计人员选择如何实现这一目标完全取决于他们。购买的解决方案易于实施，但根据所使用的解决方案，可能会很昂贵，而自定义解决方案可能非常耗时且复杂得多。

大多数应用只需要保护，而不是隔离，因此设计人员必须认识到隔离何时是绝对必要的。

ESD保护电路：模拟隔离器
电路保护是保护电路免受静电放电（ESD）和干扰等破坏性事件的机制。实现电路保护可以使用多种方法完成，包括限流电阻、齐纳二极管和保险丝。但是，某些应用可能会处理可能需要电气隔离的高度敏感的应用。一个常见的例子是心电图。

心电图的独特之处在于它使用连接到患者的导电垫来测量心脏跳动时产生的电脉冲。与光学心率方法不同，心电图可以提供更多信息，包括异常的心脏模式和微弱的心跳。但是，在电涌等事件中，将导电电极连接到患者的胸部可能是致命的，电涌会穿过患者，从而导致心脏骤停。对于此类情况，电路需要隔离，其中连接到患者的电极与电源供电的心电图电气隔离。结果是，由于电极是电隔离的（即没有直接的电气连接），因此心电图的任何电涌体验都无法传递到电极。

在数字世界中，使用光隔离器等设备很容易实现这种类型的隔离，但模拟世界可能会带来挑战。数字世界仅由易于非电传输的 1 和 0 组成（存在/不存在光），模拟信号具有无限范围，其值需要保留。
那么，如何隔离模拟信号，以及所有众多隔离解决方案通常有哪些优点/缺点？
 
隔离变压器
可以提供某种形式的模拟隔离的一种方法是变压器。通过铁芯磁耦合的两个线圈可以通过磁场相互传递能量。虽然这两个线圈彼此电气隔离，但这种类型的隔离有其问题。首先，虽然两者是电隔离的，但浪涌能量可以通过变压器传输。由于变压器通常具有较大的电感，因此它们将能够抵抗突然的能量尖峰（例如静电放电或ESD引起的能量尖峰），但电源浪涌可能更难抵抗（因为它们在低频域中）。

变压器的另一个问题是它们在交流领域工作，并且由于能量传输仅在磁场强度变化时发生，因此无法使用此方法隔离直流模拟电压。更重要的是，变压器通常设计为在特定频率下工作。这使得它们对于未知频率信号的模拟测量几乎不切实际。
 
切换到数字信号
如前所述，数字信号非常容易隔离，模拟信号可以利用此解决方案进行隔离。模拟信号首先转换为数字脉宽调制（PWM）信号，其中PWM的占空比表示模拟值。然后使用光隔离器隔离该PWM信号，然后使用RC电路将光隔离器的输出转换回模拟信号。这种方法提供电涌和ESD保护，并保留直流值，因此使其成为变压器更理想的选择。但是，将模拟信号转换为PWM信号可能会有问题，具体取决于如何实现。如果使用所有模拟电路（与模拟信号相比为三角波）转换信号，则保留无限范围的可能值。但是，如果使用计数器（或任何计算设备）生成PWM，则模拟信号将被量化。这种量化意味着产生的隔离模拟信号不会与原始信号真实，输出模拟值将具有具有有限分辨率和不确定性水平。这种方法的另一个主要缺点是用于转换原始模拟信号的电路不是隔离的，因此容易受到ESD和其他高能量源的损坏。
 
线性光隔离
线性光隔离是一种在其线性范围内使用光隔离器的技术。虽然光隔离器主要用于数字隔离，但它们由模拟部件构成，包括LED（通常是IR LED）和光电晶体管。

如果在电流域（与电压域相反）中使用光隔离器，则输出晶体管与IR LED的输入电流呈线性关系。但是，由于多种原因，这种方法非常成问题。首先，也许是最重要的一点，是光隔离器的线性范围非常窄（以至于它们本质上是非线性的）。其次，模拟电压需要转换为电流（而不是电压），这需要运算放大器电路。第三，来自同一系列的光隔离器不会都具有相同的特性，因此可能表现不同，这使得它们对于生产产品不切实际（除非包括微调电路）。为了解决这个问题，存在一种特殊范围的光隔离器，其中包括两个匹配的IR LED，可以在运算放大器电路中一起使用，以便非线性反馈到放大器中，从而保持模拟值。虽然这种隔离方法提供了真正的隔离，但它是一种难以实现的方法。
 
隔离放大器
隔离放大器是采用上述方法之一进行模拟隔离的集成电路，对于需要模拟隔离的工程师来说，隔离放大器是最有可能的选择。使用隔离放大器而不是定制隔离电路的原因包括制造商已经设计了复杂的电路以产生线性关系（如果使用线性光隔离器方法），并且整个解决方案适合信号芯片。一些隔离放大器使用内部变压器进行模拟隔离。这种隔离方法是通过使用电压-频率转换器将输入的模拟电压转换为具有特定频率的载波，将该载波通过内部变压器，然后使用频率-电压转换器将载波重新转换为记录的模拟电压来实现。
 
模拟隔离的机械方法
某些场景可能需要更具创造性和“外部”的解决方案。机械方法可用于模拟隔离，这在涉及非常高能量的场景中可能是理想的选择。机械隔离的一个例子是电控电位器，其中电机（更具体地说，伺服）控制电位器上的位置。根据读取的模拟值，伺服旋转电位计以调整其旋转角度以对应于模拟电压（如果用作分压器）。虽然这些方法非常慢，对于高频模拟信号来说并不理想，但它们可以（可以说）提供最高水平的绝缘。然而，这些方法依赖于机械部件，这些部件会随着时间的推移而磨损。
 
模拟隔离产品示例
虽然DIY解决方案可以为工程师提供解决手头问题的方法，但对于设计师来说，专注于整个设计通常更为重要。因此，工程师通常最好看看市场上已有的模拟隔离解决方案，因为这些产品将节省设计人员的时间和金钱。

AMC1301 是一款隔离放大器，具有低失调误差和漂移、8.2 固定增益、低非线性度以及低侧和高侧 3.3V 工作电压。它使用内部ADC将读取的模拟信号转换为数字信号，然后将其隔离在栅上，然后使用DAC转换为模拟信号。由于AMC1301采用数字方法，隔离放大器不受磁场影响，因此适用于可能存在强磁场的环境。

ADUM3190WSRQZ是一款隔离放大器，与AMC1301类似，它使用接收器/发射器对进行隔离。但是，ADUM3190WSRQZ使用变压器（很可能是电压频率法）作为隔离方法。该隔离放大器具有0.5%的初始精度，可隔离高达2.5kV的电压，并提供宽温度范围。然而，使用内部变压器意味着该放大器容易受到强磁场的影响。

审核编辑 黄宇