隔离技术的特性与在传感器中的作用

各种新的物联网应用的增长使许多设计人员面临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，但设计人员必须选择三种主要的隔离技术：磁性，光学和电容屏障。

这些选项中的每一种都具有相似的性能特征，但在选择它们之前，设计师需要欣赏微妙的差异。为此，本文将介绍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，并提供更多示例数字隔离器。

隔离的基本要点

当传感器或传感器子电路“隔离”时，它与电路的其余部分之间没有电气路径，并且是基本的使用欧姆表进行测量将显示两个部分之间没有电流（图1）。作为这种障碍的结果，挑战在于将信号从隔离的子电路获得到系统的其余部分。在许多情况下，还有一个额外的挑战：为隔离的子电路供电，而不需要通过电源子系统实现“偷偷摸摸的路径”，这将抵消任何隔离。

图1：在隔离系统中，未接地的传感器和系统之间没有电流路径（可能接地），但信息承载能量某种类型必须从一方到另一方。 （图片来源：Digi-Key，基于www.ee.co.za的原始材料）

隔离的原因包括：

传感器处于“浮动”状态不得与系统“接地”有任何联系（系统“普通”是一个更准确的术语，但“地面”是这里常用的误称）。

即使系统是电池供电的，也是如此没有连接到“交流接地”，如果传感器输出位于高共模电压（CMV）之上，则可以输出。这个CMV会损坏其余的电子设备。例如，单个电池单元的电压位于串联堆叠的顶部。

传感器可能无意中连接到高压电源或甚至AC线路。这不仅会损坏电子设备，还会给用户带来风险。

幸运的是，有一些可行的选项可以实现模拟传感器隔离，提供低级和高级隔离，几十伏到几千伏。后者在大众市场应用中是必需的，例如EV/HEV，并且通常用于监管安全要求。提供隔离的三种最常用方法是使用磁性，光学和电容技术，每种技术的额定电压均高于1000 V或更高。

这些技术在其主要性能属性方面存在显着重叠，但也存在一些差异。关于哪一个在应用中最合适的决定通常是困难的。

需要考虑的因素包括带宽，尺寸和占位面积，成本，隔离等级（伏特），寿命等级和个人“ “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

磁性隔离使用变压器，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，并且可以相当小，因为它处理信号而不是功率，并且耗散非常低。

由于变压器不能通过DC，也不能处理非常低的频率（除非它有一个大的核心），要隔离的信号不能直接应用于主（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（幅度调制）调制载波，或用于脉冲宽度调制（PWM）。

在输出上（在次级侧，使用常规技术解调信号以提取和恢复原始信号。必须为初级侧提供隔离电源，因此通常有一个独立的专用隔离侧电源，而输出侧则使用系统电压轨。

早期的插入式隔离式运算放大器是AD215 ADI公司（图2）。其功能类似于非隔离运算放大器，但它提供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，以及一个隔离的直流电源。所有这些都需要提供电流隔离，但允许模拟信号从输入侧传递到输出侧。

图2：在AD215内磁隔离器是一个信号调制器，变压器和信号解调器，以及隔离的直流电源。 （图像来源：ADI公司）

该器件具有±10 V（V）输入/输出范围，额定增益范围为1 V/V至10 V/V，并包含内部隔离前端的DC/DC电源，因此无需单独供电。

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，所有这些都在400 kHz带宽内（图3）。

图3：虽然主要用于AD215用于开关电源的反馈环路，也可用于电压监控器，电机电流检测和大型电池系统。此处显示的AD210是功能相同的AD215版本，但规格宽松; AD620是一款精密仪表放大器。 （图片来源：ADI公司）

在此类应用中，在测量电机检测电阻两端的电压时，通常需要进行模拟隔离，以确定通过电机的电流。这是必要的，因为检测电阻不是以地为参考，而是“浮动”，并且相对于地可能处于非常高的电位。

这些早期的磁性隔离器件使用了离散变压器等等。相对较大且昂贵。较新的设计使用与IC封装兼容的专有版平面共面变压器。例如，ADI公司的ADuM3190隔离误差放大器采用16引脚QSOP封装，提供2.5 kV隔离额定值。它的平面变压器彼此平行放置，以实现最大的能量传输（图4）。

图4：ADuM3190隔离误差放大器的封装外观并且像IC一样处理，但是包含硅芯片和一对平面变压器，它们彼此平行放置以实现最大的能量传递。 （图像来源：ADI公司）

虽然它看起来像标准运算放大器，但它实际上需要输入信号并用它来产生一个通过平面变压器的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。数据手册包括相位和增益裕量的标准运算放大器Bode图（图5）。使用该器件（或类似器件）的设计人员可以期望通过标准放大器环路稳定性以及相关的建模和仿真。 Bode图将有所帮助。

图5：虽然它有一个复杂的，独立的内部架构，ADI公司的ADuM3190在设计师看来是一个传统运算放大器（图像来源：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已成为现实。请注意，由于隔离元件是刚刚缠绕的导线，因此传统意义上没有“磨损”机制，除非设备的操作超出其规格。

然而，所有绝缘材料最终都会损坏在一段足够长的时间内，由于电压应力，衰减速率是施加在电压屏障上的电压波形的大小和类型的函数。对于ADuM3190，供应商即使在最大额定双极AC波形下也能保证50年的使用寿命，这比单极AC或相同幅度的DC更具压力。

光隔离：更新的选择

磁隔离的替代方案是光隔离，这在概念上很简单：输入侧驱动LED，LED的输出照射在共同封装的光电晶体管上，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LED来源IR，一个光电晶体管将接收到的光子转换成电流。电流隔离由封装内的光路提供。 （图像来源：Sunpower UK）

与基于变压器的隔离一样，输入信号用于在数字模式下使用PWM或其他方法调制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上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调制与斩波稳定放大器实现精度，准确度和一致性。 （图像来源：Broadcom）

该系列中的隔离器具有2伏输入范围和高1GΩ输入阻抗。这些规格使它们非常适合电源转换器应用中的隔离电压检测要求，包括电机驱动和可再生能源系统。这些器件结合了光耦合技术和sigma-delta（Σ-Δ）调制，斩波稳定放大器和差分输出，可提供高隔离模式噪声抑制，低失调，高增益精度和稳定性。这些器件都采用拉伸SO-8（SSO-8）封装。

这些器件非常适合功率转换器应用，因为它们具有100 kHz带宽（图8）和高共模瞬态抗扰度（15 kV/μs）。这种瞬变在电机驱动中很常见。

图8：使用其内部sigma-delta模数转换技术，Broadcom ACPL-C87B/C87A/C870系列光隔离放大器可轻松实现100 kHz带宽，平坦响应可达100 kHz。 （图像来源：Broadcom）

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。由于IC和封装技术的进步，近年来该技术已变得可行且具有成本效益。一个很好的实现示例是德州仪器ISO124。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-16（或SOIC-18）表面贴装塑料封装中的匹配1皮法（pF）电容进行电隔离。

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ISO124数据手册中使用的“分离”运算放大器;这清楚地表明输入和输出部分有自己独立的“地面”（虽然“常见”将是更正确的名称）。 （图像来源：德州仪器）

同时，详细的框图显示了用户内部和不可见的复杂性（图10）。

图10：与磁性和光学隔离器件一样，ISO124中有大量的模拟和数字电路，使其独特的基于电容的隔离操作。 （图像来源：德州仪器）

ISO124输入是占空比调制的，并通过屏障以数字方式传输。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，50 kHz信号带宽和200微伏（μV）/°C VOS漂移，并且需要一个介于±4.5 V和±18 V之间的单电源。

与非隔离运算放大器，数据表包含表格数据以及有关各种条件下正弦波和阶跃响应性能的图形信息（图11）。这些隔离设备的潜在用户需要研究数据和图表，以确保设备性能与应用程序需求相称。

图11：由于ISO124基于模拟器件的运算放大器性质，设计人员需要密切关注许多图形和表格，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，例如在接收器端隔离4-20 mA电流回路上的电阻温度检测器（RTD）和热电偶温度传感器的信号，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，用于控制系统兼容性。 （图像来源：德州仪器公司）

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，因为它们可能直接固定在高压点上，例如电机外壳。然后，系统模数转换器（ADC）将此电压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 - 都可以在合适的条件下提供出色的结果。设计师的困境随后变成了如何在给定情况下决定“最佳”的那个。

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。每种隔离技术都可以平衡这些属性，并可能在一个系列中提供具有不同折衷的特定产品，从而使决策变得复杂。

关于电压隔离的数量，所有三种类型都经过认证至少1 kV（一些去至5 kV甚至更高）并符合相关的监管标准（IEEE，VDE，CIE，UL，CSA）。因此，对于大多数物联网应用而言，最大隔离电压不是问题。如果这应该成为一个问题，可以使用经过认证可以获得更高电压的专业隔离器。

关于每种隔离技术，可以做一些一般性陈述，但对于每个声明都有例外情况，以及供应商每种技术都有效且合法地论证了为什么他们的方法更好。一般来说：

磁隔离具有很长的使用寿命，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，它可能易受外部磁场的干扰。一些较新的设计成功地将这个问题最小化，使得这些单元通过行业标准测试证明不具备这种干扰敏感性。

光隔离对电磁噪声具有很高的抗扰度，但速度适中LED开关速度，功耗更高，以及对LED磨损的担忧。最后一个问题是最严重的问题，因为LED在正常使用中会出现降级（变暗），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，因此保证满足20年的规格，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，因为没有需要切换的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，因此可能容易受到外部电场的干扰。

模拟与数字隔离

到目前为止，我们已经看过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，传感器信号仍然是模拟信息（无论在隔离器本身内发生了什么，直到它到达非隔离侧，在那里它可以转换成数字格式以供进一步使用。 （图片来源：National Instruments）

然而，有一个基本的架构选择：数字隔离，模拟传感器的输出在隔离侧进行调节和数字化，然后数字输出通过数字隔离屏障（图14）。

图14：另一种常用的方法是将隔离侧的信号数字化，然后通过转换通过数字隔离屏障产生。与模拟隔离设计相比，这允许实现非常不同的隔离功能。 （图像来源：National Instruments）

与模拟隔离一样，此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，存在新的第四类选项，其使用调制的RF载波而不是调制的（LED）光。 Silicon Labs的Si863x系列是这种器件的一个很好的例子（图15）。

图15：硅的Si863x系列数字隔离器实验室使用调制的RF载波代替光来传输信号，同时提供隔离。 （图片来源：Silicon Labs）

随着ADC的成本下降，供应商已经对I 2 C和LVDS等接口进行了标准化，数字隔离的使用变得更具吸引力。缺点是隔离侧需要更多电路。这意味着需要更多的隔离电源，增加了成本和占用空间。

然而，再次，低功耗高性能ADC的进步使这成为一个问题。标准接口数字隔离器，例如I 2 C的1 MHz ADUM1250和来自ADI公司的LVDS的600 Mbit/sec ADN4651，简化了这种设计方案。在多芯片IC封装中还有集成隔离的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，还有一个问题。多通道隔离。虽然许多物联网应用只有一个或两个传感器需要隔离，但其他传感器可能有四个，八个或更多。在这些情况下，聚合的单个模拟隔离器可能太大，成本高且耗电量大。

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，所有这些都是在隔离的一侧，采用更高速度的数字隔离来传输结果。这可能比简单的每通道隔离功能，空间和成本效益更高。

结论

模拟传感器隔离是许多物联网应用中的一个关键问题，用于信号完整性，系统安全性，以及用户保护。三种可行的竞争技术可以实现隔离，每种技术在性能上提供了许多相似之处，但存在一些细微差别。在隔离侧进行传感器数字化的数字隔离也是许多应用中需要考虑的选择。