電路保護是電路設計的一個領域，可以制造或破壞產品。雖然仿真電路的行為符合預期，但現實生活遠非理想。在本文中，我們將探討模擬隔離、為什么可能需要它，以及如何在下一個設計中最好地實現它。

模擬隔離并非易事，設計人員選擇如何實現這一目標完全取決于他們。購買的解決方案易于實施，但根據所使用的解決方案，可能會很昂貴，而自定義解決方案可能非常耗時且復雜得多。

大多數應用只需要保護，而不是隔離，因此設計人員必須認識到隔離何時是絕對必要的。

ESD保護電路：模擬隔離器
電路保護是保護電路免受靜電放電（ESD）和干擾等破壞性事件的機制。實現電路保護可以使用多種方法完成，包括限流電阻、齊納二極管和保險絲。但是，某些應用可能會處理可能需要電氣隔離的高度敏感的應用。一個常見的例子是心電圖。

心電圖的獨特之處在于它使用連接到患者的導電墊來測量心臟跳動時產生的電脈沖。與光學心率方法不同，心電圖可以提供更多信息，包括異常的心臟模式和微弱的心跳。但是，在電涌等事件中，將導電電極連接到患者的胸部可能是致命的，電涌會穿過患者，從而導致心臟驟停。對于此類情況，電路需要隔離，其中連接到患者的電極與電源供電的心電圖電氣隔離。結果是，由于電極是電隔離的（即沒有直接的電氣連接），因此心電圖的任何電涌體驗都無法傳遞到電極。

在數字世界中，使用光隔離器等設備很容易實現這種類型的隔離，但模擬世界可能會帶來挑戰。數字世界僅由易于非電傳輸的1和0組成（存在/不存在光），模擬信號具有無限范圍，其值需要保留。
那么，如何隔離模擬信號，以及所有眾多隔離解決方案通常有哪些優點/缺點？

隔離變壓器
可以提供某種形式的模擬隔離的一種方法是變壓器。通過鐵芯磁耦合的兩個線圈可以通過磁場相互傳遞能量。雖然這兩個線圈彼此電氣隔離，但這種類型的隔離有其問題。首先，雖然兩者是電隔離的，但浪涌能量可以通過變壓器傳輸。由于變壓器通常具有較大的電感，因此它們將能夠抵抗突然的能量尖峰（例如靜電放電或ESD引起的能量尖峰），但電源浪涌可能更難抵抗（因為它們在低頻域中）。

變壓器的另一個問題是它們在交流領域工作，并且由于能量傳輸僅在磁場強度變化時發生，因此無法使用此方法隔離直流模擬電壓。更重要的是，變壓器通常設計為在特定頻率下工作。這使得它們對于未知頻率信號的模擬測量幾乎不切實際。

切換到數字信號
如前所述，數字信號非常容易隔離，模擬信號可以利用此解決方案進行隔離。模擬信號首先轉換為數字脈寬調制（PWM）信號，其中PWM的占空比表示模擬值。然后使用光隔離器隔離該PWM信號，然后使用RC電路將光隔離器的輸出轉換回模擬信號。這種方法提供電涌和ESD保護，并保留直流值，因此使其成為變壓器更理想的選擇。但是，將模擬信號轉換為PWM信號可能會有問題，具體取決于如何實現。如果使用所有模擬電路（與模擬信號相比為三角波）轉換信號，則保留無限范圍的可能值。但是，如果使用計數器（或任何計算設備）生成PWM，則模擬信號將被量化。這種量化意味著產生的隔離模擬信號不會與原始信號真實，輸出模擬值將具有具有有限分辨率和不確定性水平。這種方法的另一個主要缺點是用于轉換原始模擬信號的電路不是隔離的，因此容易受到ESD和其他高能量源的損壞。

線性光隔離
線性光隔離是一種在其線性范圍內使用光隔離器的技術。雖然光隔離器主要用于數字隔離，但它們由模擬部件構成，包括LED（通常是IRLED）和光電晶體管。

如果在電流域（與電壓域相反）中使用光隔離器，則輸出晶體管與IRLED的輸入電流呈線性關系。但是，由于多種原因，這種方法非常成問題。首先，也許是最重要的一點，是光隔離器的線性范圍非常窄（以至于它們本質上是非線性的）。其次，模擬電壓需要轉換為電流（而不是電壓），這需要運算放大器電路。第三，來自同一系列的光隔離器不會都具有相同的特性，因此可能表現不同，這使得它們對于生產產品不切實際（除非包括微調電路）。為了解決這個問題，存在一種特殊范圍的光隔離器，其中包括兩個匹配的IRLED，可以在運算放大器電路中一起使用，以便非線性反饋到放大器中，從而保持模擬值。雖然這種隔離方法提供了真正的隔離，但它是一種難以實現的方法。

隔離放大器
隔離放大器是采用上述方法之一進行模擬隔離的集成電路，對于需要模擬隔離的工程師來說，隔離放大器是最有可能的選擇。使用隔離放大器而不是定制隔離電路的原因包括制造商已經設計了復雜的電路以產生線性關系（如果使用線性光隔離器方法），并且整個解決方案適合信號芯片。一些隔離放大器使用內部變壓器進行模擬隔離。這種隔離方法是通過使用電壓-頻率轉換器將輸入的模擬電壓轉換為具有特定頻率的載波，將該載波通過內部變壓器，然后使用頻率-電壓轉換器將載波重新轉換為記錄的模擬電壓來實現。

模擬隔離的機械方法
某些場景可能需要更具創造性和“外部”的解決方案。機械方法可用于模擬隔離，這在涉及非常高能量的場景中可能是理想的選擇。機械隔離的一個例子是電控電位器，其中電機（更具體地說，伺服）控制電位器上的位置。根據讀取的模擬值，伺服旋轉電位計以調整其旋轉角度以對應于模擬電壓（如果用作分壓器）。雖然這些方法非常慢，對于高頻模擬信號來說并不理想，但它們可以（可以說）提供最高水平的絕緣。然而，這些方法依賴于機械部件，這些部件會隨著時間的推移而磨損。

模擬隔離產品示例
雖然DIY解決方案可以為工程師提供解決手頭問題的方法，但對于設計師來說，專注于整個設計通常更為重要。因此，工程師通常最好看看市場上已有的模擬隔離解決方案，因為這些產品將節省設計人員的時間和金錢。

AMC1301是一款隔離放大器，具有低失調誤差和漂移、8.2固定增益、低非線性度以及低側和高側3.3V工作電壓。它使用內部ADC將讀取的模擬信號轉換為數字信號，然后將其隔離在柵上，然后使用DAC轉換為模擬信號。由于AMC1301采用數字方法，隔離放大器不受磁場影響，因此適用于可能存在強磁場的環境。

ADUM3190WSRQZ是一款隔離放大器，與AMC1301類似，它使用接收器/發射器對進行隔離。但是，ADUM3190WSRQZ使用變壓器（很可能是電壓頻率法）作為隔離方法。該隔離放大器具有0.5%的初始精度，可隔離高達2.5kV的電壓，并提供寬溫度范圍。然而，使用內部變壓器意味著該放大器容易受到強磁場的影響。

審核編輯黃宇