各種新型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的增長(zhǎng)使許多設(shè)計(jì)人員面臨著在傳感器和其他電子設(shè)備之間提供電流（歐姆）隔離的挑戰(zhàn)。這種隔離對(duì)于信號(hào)完整性、系統(tǒng)保護(hù)和用戶安全至關(guān)重要，但設(shè)計(jì)人員必須從三種主要隔離技術(shù)中進(jìn)行選擇：磁性、光學(xué)和電容式屏障。

這些選項(xiàng)中的每一個(gè)都具有相似的性能特征，但具有細(xì)微的差異，設(shè)計(jì)人員在選擇它們之前需要了解這些差異。為此，本文將討論隔離在傳感器中的作用，然后介紹各種選項(xiàng)、它們的不同特性以及如何應(yīng)用它們。

它還將介紹數(shù)字隔離，并提供數(shù)字隔離器的更多示例。

隔離的基本要素

當(dāng)傳感器或傳感器子電路被“隔離”時(shí)，它與電路的其余部分之間沒有電氣路徑，使用歐姆表進(jìn)行基本測(cè)量時(shí)，兩個(gè)部分之間沒有電流流動(dòng)（圖 1）。由于這種屏障，挑戰(zhàn)在于將信號(hào)從隔離子電路傳輸?shù)较到y(tǒng)的其余部分。在許多情況下，還有一個(gè)額外的挑戰(zhàn)：為隔離子電路供電，而無需通過電源子系統(tǒng)進(jìn)行“繞行路徑”，這將否定任何隔離。

圖 1：在隔離系統(tǒng)中，未接地的傳感器和系統(tǒng)（可能接地）之間沒有電流路徑，但某種類型的信息承載能量必須從一側(cè)傳遞到另一側(cè)。（圖片來源：Digi-Key，基于 www.ee.co.za 年的原始資料）

隔離的原因包括：

• 傳感器是“浮動(dòng)的”，不得與系統(tǒng)“接地”有任何連接（系統(tǒng)“通用”是一個(gè)更準(zhǔn)確的術(shù)語，但“接地”是這里常用的誤稱）。* 即使系統(tǒng)由電池供電，因此沒有連接到“交流接地”，如果傳感器輸出位于高共模電壓（CMV）之上，則傳感器輸出也可能。此CMV會(huì)損壞其余的電子設(shè)備。例如，位于串聯(lián)堆棧頂部的單個(gè)電池單元的電壓。* 傳感器可能會(huì)無意中連接到高壓源甚至交流線路。這不僅會(huì)損壞電子設(shè)備，還會(huì)使用戶處于危險(xiǎn)之中。

幸運(yùn)的是，有一些可行的選擇來實(shí)現(xiàn)模擬傳感器隔離，可提供從數(shù)十伏到數(shù)千伏的低電平和高級(jí)隔離。后者在大眾市場(chǎng)應(yīng)用中（如EV/HEV）中是必需的，并且通常用于監(jiān)管安全要求。提供隔離的三種最常見方法使用磁性、光學(xué)和電容技術(shù)，每種技術(shù)的額定電壓為 >1000 V 或更高。

這些技術(shù)在其主要性能屬性方面存在顯著重疊，但也存在一些差異。決定哪一個(gè)最適合申請(qǐng)通常是一個(gè)困難的決定。

需要考慮的因素包括帶寬、尺寸和占用空間、成本、隔離額定值（伏特）、使用壽命等級(jí)和個(gè)人“舒適度”。找到性能參數(shù)的正確平衡取決于應(yīng)用。例如，電池監(jiān)控不需要快速響應(yīng)，而高速測(cè)試傳感器則需要快速響應(yīng)。

磁隔離：起點(diǎn)

基于磁性的隔離使用變壓器，是最古老的技術(shù);多年來，這是唯一的技術(shù)。隔離變壓器通常具有1：1的匝數(shù)比，并且可能相當(dāng)小，因?yàn)樗幚淼氖切盘?hào)而不是電源，并且功耗非常低。

由于變壓器不能通過直流，也不能很好地處理非常低的頻率（除非它有一個(gè)大磁芯），因此要隔離的信號(hào)不能直接施加到初級(jí)（輸入）側(cè)。相反，如果需要，傳感器信號(hào)被放大，然后用于以更高的頻率調(diào)制載波（幅度調(diào)制），或用于脈寬調(diào)制（PWM）。

在輸出（次級(jí)）側(cè)，使用常規(guī)技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，以提取和恢復(fù)原始信號(hào)。必須向初級(jí)側(cè)提供隔離電源，因此通常有一個(gè)單獨(dú)的專用隔離側(cè)電源，而輸出側(cè)使用系統(tǒng)電源軌。

早期的嵌入式隔離式運(yùn)算放大器是ADI公司的AD215（圖2）。其功能類似于非隔離運(yùn)算放大器，但提供1500 V （rms）隔離和120 kHz帶寬。它包含一個(gè)信號(hào)調(diào)制器、變壓器和信號(hào)解調(diào)器，以及一個(gè)隔離式直流電源。所有這些都需要提供電流隔離，同時(shí)允許模擬信號(hào)從輸入側(cè)傳遞到輸出側(cè)。

圖 2：AD215 磁隔離器內(nèi)有一個(gè)信號(hào)調(diào)制器、變壓器和信號(hào)解調(diào)器，以及一個(gè)隔離式直流電源。（圖片來源：ADI公司）

該器件具有 ±10 V 輸入/輸出范圍，額定增益范圍為 1 V/V 至 10 V/V，前端包括一個(gè)內(nèi)部隔離式 DC/DC 電源，因此無需單獨(dú)電源。

雖然AD215主要用于開關(guān)電源的反饋環(huán)路，但也可用于電壓監(jiān)控器、電機(jī)電流檢測(cè)和大型電池系統(tǒng)，所有這些系統(tǒng)都在其400 kHz帶寬內(nèi)（圖3）。

圖3：雖然AD215主要用于開關(guān)電源的反饋回路，但也可用于電壓監(jiān)測(cè)器、電機(jī)電流傳感和大型電池系統(tǒng)。這里所示的AD210是AD215的功能相同的版本，但具有寬松的規(guī)格；AD620是一種精密儀器放大器。

在這種應(yīng)用中，當(dāng)測(cè)量電機(jī)感測(cè)電阻器兩端的電壓以確定通過電機(jī)的電流時(shí)，通常需要模擬隔離。這是必要的，因?yàn)楦袦y(cè)電阻器不是以地為基準(zhǔn)，而是“浮動(dòng)”的，并且可能相對(duì)于地處于非常高的電勢(shì)。

這些早期的基于磁的隔離裝置使用分立變壓器，因此相對(duì)較大且昂貴。較新的設(shè)計(jì)使用與IC封裝兼容的平面共面變壓器的專有版本。例如，Analog Devices的ADuM3190隔離誤差放大器封裝在16引腳QSOP封裝中，但提供2.5 kV隔離額定值。其平面變壓器彼此平行放置，以實(shí)現(xiàn)最大能量傳輸（圖4）.

圖4：ADuM3190隔離誤差放大器的外觀和處理方式與IC相似，但包含硅管芯和一對(duì)平面變壓器，它們彼此平行放置，以實(shí)現(xiàn)最大的能量傳輸。（圖片來源：Analog Devices）

雖然它看起來像一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)算放大器，但實(shí)際上它接收輸入信號(hào)并使用它生成通過平面變壓器的PWM信號(hào)。該P(yáng)WM信號(hào)在次級(jí)側(cè)被解調(diào)和濾波以產(chǎn)生模擬輸出信號(hào)。數(shù)據(jù)表包括相位和增益裕度的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器波特圖（圖5）。使用該設(shè)備（或類似設(shè)備）的設(shè)計(jì)者可以期望通過標(biāo)準(zhǔn)放大器環(huán)路穩(wěn)定性和相關(guān)建模和仿真。博德的陰謀會(huì)有所幫助

圖 5：盡管 ADuM3190 具有復(fù)雜的隔離式內(nèi)部架構(gòu)，但在設(shè)計(jì)人員看來，它是一款傳統(tǒng)運(yùn)算放大器（圖片來源：ADI公司）

ADuM3190的額定工作溫度范圍為?40°C至+125°C，這在某些目標(biāo)應(yīng)用中是現(xiàn)實(shí)的。請(qǐng)注意，由于隔離元件是剛繞導(dǎo)線，因此沒有傳統(tǒng)意義上的“磨損”機(jī)制，除非設(shè)備超出其規(guī)格。

然而，由于電壓應(yīng)力，所有絕緣材料最終都會(huì)在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)分解，退化速率與施加在電壓勢(shì)壘上的電壓波形的大小和類型成函數(shù)。對(duì)于ADuM3190，即使在最大額定雙極流波形下，供應(yīng)商也能保證50年的使用壽命，這比相同幅度的單極流或直流壓力更大。

光隔離：較新的選擇

磁隔離的替代方法是光隔離，其概念很簡(jiǎn)單：輸入側(cè)驅(qū)動(dòng)LED，LED的輸出撞擊共封裝的光電晶體管，輸出是光電晶體管電流（圖6）。封裝內(nèi)LED和光電晶體管之間的短光路提供了所需的電流隔離。

圖 6：光隔離器需要兩個(gè)有源元件：一個(gè)用于源出 IR 的 LED，以及一個(gè)用于將接收到的光子轉(zhuǎn)換為電流的光電晶體管。電流隔離由封裝內(nèi)的光路提供。（圖片來源：Sunpower UK）

與基于變壓器的隔離一樣，輸入信號(hào)用于使用PWM或其他方法在數(shù)字模式下調(diào)制LED電流。Broadcom （Avago） ACPL-C87B/C87A/C870系列光隔離放大器是可用于電流檢測(cè)電阻兩端電壓檢測(cè)的器件的一個(gè)很好的例子（圖 7）。

圖 7：Broadcom ACPL-C87B/C87A/C870 系列中的光隔離器針對(duì)較低電平電壓，并使用 Σ-Δ 調(diào)制和斬波穩(wěn)定放大器來實(shí)現(xiàn)精度、準(zhǔn)確度和一致性。（圖片來源：博通）

該系列隔離器具有2 V輸入范圍和1 GΩ高輸入阻抗。這些規(guī)格使其非常適合功率轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中的隔離式電壓檢測(cè)要求，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)和可再生能源系統(tǒng)。這些器件將光耦合技術(shù)與Σ-Δ調(diào)制、斬波穩(wěn)定放大器和差分輸出相結(jié)合，可提供高隔離模式噪聲抑制、低失調(diào)、高增益精度和穩(wěn)定性。它們都封裝在拉伸的 SO-8 （SSO-8） 封裝中。

這些器件具有 100 kHz 帶寬（圖 8）和高共模瞬態(tài)抗擾度 （15 kV/μs），非常適合電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。這種瞬變?cè)?a target="_blank">電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中很常見。

圖 8：Broadcom ACPL-C87B/C87A/C870 系列光隔離放大器采用其內(nèi)部 Σ-Δ 模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，可輕松實(shí)現(xiàn) 100 kHz 帶寬，平坦響應(yīng)高達(dá) 100 kHz。（圖片來源：博通）

電容隔離：最新選項(xiàng)

另一種隔離技術(shù)使用電容和電容器“板”之間的微小間隔進(jìn)行隔離。近年來，由于IC和封裝技術(shù)的進(jìn)步，該技術(shù)已變得可行且具有成本效益。一個(gè)很好的實(shí)施示例是德州儀器。這是一款精密隔離放大器，其輸入和輸出部分通過內(nèi)置于 SOIC-1（或 SOIC-16）表面貼裝塑料封裝中的匹配 18 皮法 （pF） 電容器進(jìn)行電氣隔離。

與其他模擬隔離放大器一樣，其高級(jí)功能圖很簡(jiǎn)單（圖 9）。

圖 9：模擬隔離放大器的一個(gè)常用符號(hào)是這種“分離式”運(yùn)算放大器，用于 ISO124 數(shù)據(jù)手冊(cè);這清楚地表明輸入和輸出部分有自己獨(dú)立的“理由”（盡管“通用”是一個(gè)更正確的名稱）。（圖片來源：德州儀器 )

同時(shí)，詳細(xì)的框圖揭示了內(nèi)部?jī)?nèi)容的復(fù)雜性，用戶不可見（圖 10）。

圖 10：與磁隔離器件和光隔離器件一樣，ISO124 中存在大量模擬和數(shù)字電路，使其獨(dú)特的基于電容的隔離能夠正常工作。（圖片來源：德州儀器）

ISO124輸入經(jīng)過占空比調(diào)制，并通過柵以數(shù)字方式傳輸。輸出部分接收調(diào)制信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換回模擬電壓，并消除解調(diào)中固有的紋波分量。它具有 0.010% 的最大非線性度、50 kHz 信號(hào)帶寬和 200 μV （μV）/°C V操作系統(tǒng)漂移，需要 ±4.5 V 至 ±18 V 的單電源。

與非隔離式運(yùn)算放大器一樣，數(shù)據(jù)手冊(cè)既有表格數(shù)據(jù)，也有各種條件下正弦波和階躍響應(yīng)性能的圖形信息（圖 11）。這些隔離器件的潛在用戶需要研究數(shù)據(jù)和圖表，以確保器件性能與應(yīng)用需求相稱。

圖11：由于ISO124模擬設(shè)備的運(yùn)算放大器性質(zhì)，設(shè)計(jì)者需要密切關(guān)注許多圖表，包括標(biāo)準(zhǔn)正弦和階躍響應(yīng)圖。（圖片來源：德州儀器）

ISO124非常適合低速應(yīng)用，例如將信號(hào)與電阻溫度檢測(cè)器（RTD）和接收器端4-20 mA電流回路上的熱電偶溫度傳感器隔離，并將其轉(zhuǎn)換為電壓（圖12）。

圖12:ISO124用于隔離通過標(biāo)準(zhǔn)4-20 mA電流回路連接的RTD，并將該電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0-5 V信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)兼容性。（圖片來源：德州儀器）

溫度測(cè)量應(yīng)用通常要求傳感器與系統(tǒng)電路的其余部分隔離，這是由于傳感器直接固定在其上的潛在高電壓點(diǎn)，例如電機(jī)外殼。該電壓隨后被系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）用于讀出或閉環(huán)控制，這兩種情況都是常見的工業(yè)情況。

做出決定

所有三種模擬隔離技術(shù) - 磁性、光學(xué)和電容式 - 都可以在適當(dāng)?shù)臈l件下提供出色的結(jié)果。然后，設(shè)計(jì)師的困境變成了如何在給定的情況下決定“最佳”的。

要考慮的因素包括帶寬、預(yù)期壽命（故障或磨損時(shí)間）、尺寸和功率要求。每種隔離技術(shù)都平衡了這些屬性，并可能在一個(gè)系列中提供具有不同權(quán)衡的特定產(chǎn)品，從而使決策復(fù)雜化。

關(guān)于電壓隔離量，所有三種類型都經(jīng)過認(rèn)證至少 1 kV（有些達(dá)到 5 kV 甚至更高），并符合相關(guān)監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)（IEEE、VDE、CIE、UL、CSA）。因此，對(duì)于大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說，最大隔離電壓不是問題。如果這成為一個(gè)問題，可以使用經(jīng)過更高電壓認(rèn)證的專用隔離器。

對(duì)于每種隔離技術(shù)，可以做出一些一般性的陳述，但每種陳述都有例外，每種技術(shù)的供應(yīng)商都會(huì)就為什么他們的方法更好提出有效和合法的論據(jù)。通常：

磁隔離具有非常長(zhǎng)的使用壽命，其無源屏障可以承受遠(yuǎn)大于連續(xù)電壓額定值的浪涌和尖峰。然而，由于其通過磁場(chǎng)的電感耦合，它容易受到外部磁場(chǎng)的干擾。一些較新的設(shè)計(jì)成功地將這個(gè)問題最小化到這樣的程度，以至于使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試對(duì)單元進(jìn)行了這種干擾敏感性的認(rèn)證。

光隔離對(duì)電噪聲和磁噪聲具有很高的抗擾度，但由于 LED 開關(guān)速度、更高的功耗以及對(duì) LED 磨損的擔(dān)憂，速度適中。最后一個(gè)問題是最嚴(yán)重的問題，因?yàn)長(zhǎng)ED在正常使用中確實(shí)會(huì)經(jīng)歷退化（調(diào)光），典型的半亮度周期約為十年。然而，像Broadcom/Avago這樣的公司已經(jīng)推動(dòng)了LED材料的最新技術(shù)，因此保證在二十年內(nèi)滿足規(guī)格，這通常足以滿足這種情況。

電容隔離對(duì)磁噪聲具有很高的抗擾度，與光隔離相比，它可以支持更寬的帶寬，因?yàn)椴恍枰袚QLED。實(shí)際上， 大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用都是低帶寬情況.電容耦合還涉及使用電場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此容易受到外部電場(chǎng)的干擾。

模擬與數(shù)字隔離

到目前為止，我們已經(jīng)研究了物聯(lián)網(wǎng)傳感器的模擬隔離技術(shù)（圖 13）。

圖 13：在模擬隔離拓?fù)渲校瑐鞲衅餍盘?hào)保持為模擬信息（無論隔離器本身內(nèi)部發(fā)生什么），直到到達(dá)非隔離側(cè)，在那里可以轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式以供進(jìn)一步使用。（圖片來源：美國(guó)國(guó)家儀器公司）

然而，有一種基本的架構(gòu)替代方案：數(shù)字隔離，其中模擬傳感器的輸出在隔離側(cè)進(jìn)行調(diào)理和數(shù)字化，然后數(shù)字輸出通過數(shù)字隔離柵（圖 14**）。**

圖 14：另一種通常很有吸引力的方法是將隔離側(cè)的信號(hào)數(shù)字化，然后將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過數(shù)字隔離柵。與模擬隔離設(shè)計(jì)相比，這允許非常不同的隔離功能實(shí)現(xiàn)。（圖片來源：美國(guó)國(guó)家儀器公司）

與模擬隔離一樣，該屏障可以使用這三種技術(shù)中的任何一種，但其內(nèi)部設(shè)計(jì)專門針對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行了優(yōu)化，通常可以支持?jǐn)?shù)十Mbps的數(shù)據(jù)。此外，對(duì)于數(shù)字隔離，還有一個(gè)新的第四類選項(xiàng)，它使用調(diào)制RF載波代替調(diào)制（LED）光。Silicon Labs的Si863x系列就是這種器件的一個(gè)很好的例子（圖 15）。

圖 15：Silicon Labs 的 Si863x 系列數(shù)字隔離器使用調(diào)制射頻載波而不是光來傳輸信號(hào)，同時(shí)提供隔離。（圖片來源：硅實(shí)驗(yàn)室）

隨著ADC成本的下降，供應(yīng)商已經(jīng)圍繞諸如I^2^C和LVDS，使用數(shù)字隔離變得更具吸引力。缺點(diǎn)是在隔離側(cè)需要更多的電路。這意味著需要更多的隔離電源，從而增加了成本和占用空間。

然而，低功耗高性能ADC的進(jìn)步再次使這個(gè)問題變得不那么成問題。標(biāo)準(zhǔn)接口數(shù)字隔離器，例如用于I的1 MHz ADUM1250^2^ADI公司用于LVDS的C和600 Mbit/s的ADN4651簡(jiǎn)化了這一設(shè)計(jì)備選方案。多芯片IC封裝中也有集成隔離的ADC，例如16位ADI公司的AD7401A，它使整個(gè)轉(zhuǎn)換和隔離過程對(duì)用戶透明。

最后，還有多通道隔離的問題。雖然許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用只有一個(gè)或兩個(gè)需要隔離的傳感器，但其他應(yīng)用可能有四個(gè)、八個(gè)或更多。在這些情況下，單個(gè)模擬隔離器總體上可能太大、成本太高且耗電，

另一種方法是使用多通道ADC或帶有前端多路復(fù)用器的單通道器件，全部位于隔離側(cè)，具有更高速的數(shù)字隔離來傳輸結(jié)果。這可能比簡(jiǎn)單的每通道隔離更具功耗、空間和經(jīng)濟(jì)高效性。

結(jié)論

模擬傳感器隔離是許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中信號(hào)完整性、系統(tǒng)安全和用戶保護(hù)的關(guān)鍵問題。三種可行的競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)隔離，每種技術(shù)在性能上都有許多相似之處，但有一些細(xì)微的差異。數(shù)字隔離，在隔離側(cè)進(jìn)行傳感器數(shù)字化，也是許多應(yīng)用中需要考慮的一種選擇。

審核編輯 黃宇