一、電子電路中的隔離基本概念

在許多應用中，數據鏈路之間需要（甚至是必要的）非直接的（導電）連接，從而在提供數據的同時避免來自系統某一部分的危險電壓（或電流）對其另一部分造成破壞，造成這種破壞性失效的可能是電源質量低劣、接地故障、雷擊和浪涌等各種故障。此外，通信節點的間距可能相當大，常常由不同接地區域的AC插座來給這些節點供電，這些接地區域之間的電位差（可能含有DC偏壓、50Hz的AC諧波和各種瞬態噪聲分量）也會造成破壞。

在實際工程使用中，經常發生通過電纜邏輯接地或屏蔽將這些地線連接在一起的情況，可能形成接地環路，且電流將流入該電纜。接地環路電流會對通信產生嚴重影響（包括數據惡化、EMI過大、元件損壞），當電位差足夠大時，人體就有遭受電擊的可能。一般在兩種情況下會采用隔離技術：第一種情況是：在有可能存在損壞設備或危害人員的潛在電流浪涌時。如醫療上的應用、電機控制、總線隔離等方面。第二種情況是：必須避免存在不同地位和分裂的接地回路的互連。兩種情況都是采用隔離來避免電流流過，而允許兩點之間有數據或功率傳送。

電路隔離的主要目的是通過隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷,從而達到抑制噪聲干擾的效果,使電子電氣設備符合電磁兼容性的要求。電路隔離主要有:模擬電路的隔離、數字電路的隔離、數字電路與模擬電路之間的隔離。所使用的隔離方法有:變壓器隔離法、脈沖變壓器隔離法、繼電器隔離法、光電耦合器隔離法、直流電壓隔離法、線性隔離放大器隔離法、光纖隔離法、A/D轉換器隔離法等。

說直觀一點就是如果產品的使用環境比較復雜（比如工業環境），或涉及到多個不同電源供電系統之前的相互通訊（比如RS232、RS485、CAN等各種通訊接口）都需要（甚至是必須）隔離。

電子電路中的隔離會涉及到三個方面的隔離：

第一是電源的隔離，一般會選擇DC-DC 隔離電源模塊。

第二是信號、數據的隔離。

第三是地的隔離，隔離前側的地（GND）與后側的地（GNDISO）是不可以連接在一起的，但有些不得不連接在一起的場合，我們可以選用磁珠或0 歐電阻放在兩個地之間。

二、模擬電路的隔離

電子電氣設備的模擬電路部分通常包含供電系統、模擬信號測量系統和控制系統。模擬電路的隔離比較復雜,要考慮模擬信號的精度、線性度、頻率響應、噪聲響應等，特別要考慮系統對傳輸通道的精度要求,對精度要求越高,其通道的成本也可能越高。模擬電路的隔離主要采用變壓器、互感器、直流電壓隔離器、線性隔離放大器等隔離方法。

一般的模擬隔離情況比較復雜、成本比較高。對于變壓器、互感器、直流電壓隔離器的隔離原理及方法我們在這里就不做詳述了，來談一談大家比較關心的模擬隔離里面常見的4-20mA、0-10V的隔離。

工業現場最常見的信號是4-20mA﹑0-10V，對于諸如壓力、溫度、流量等物理量也要處理成4-20mA﹑0-10V 信號以便計算機處理。將這些物理量轉換為儀表用4-20mA﹑0-10V信號的設備稱為變送器。對于這兩種信號的隔離，在市面上都有相應的隔離產品。

三、數字電路的隔離

數字隔離技術常用于工業網絡環境的現場總線、軍用電子系統和航空航天電子設備中，尤其是一些應用環境比較惡劣的場合。數字隔離電路主要用于數字信號和開關量信號的傳輸。數字隔離器件的生產商很多，如安華高的HCPL系列、TI 的ISO72XX 系列、ADI 的ADuM12/14XX系列、NVE的ILXX 系列、芯科實驗室的SI84XX等公司，各廠商的產品都得到了廣泛的應用。依照數字式隔離電路的生產工藝、電氣結構和傳輸原理，數字隔離電路主要分為光電隔離、電磁隔離以及電容隔離技術的數字隔離器件。

光電隔離

在隔離方面，光電隔離可謂是老大哥了，也是最為我們所熟知的一種隔離器件，尤其是6N137可謂是在高速數字隔離方面獨領風騷。其隔離原理我想就不用再過多的描述了吧。但隨著工業技術的不斷發展，光電隔離的速率、LED老化、使用不方便、功耗過高等缺點也暴露出來。但因為6N137一直是主流，所以成本也比較低。

電磁隔離

與光耦合一樣，電感耦合也有較長的應用歷史，但通常僅用于電源或模擬隔離器，而非數字器件。隨著制造工藝的進步和研發設計水平的提高，電感式數字隔離器件得到了迅速的發展和廣泛的運用。

電感耦合使用不斷變化的磁場來通過隔離層實現通信。電感耦合的優勢之一是可以在不明顯降低差模信號的情況下最小化變壓器的共模噪聲。另一個優勢是信號能量的轉換效率極高，因而可以實現低功耗隔離器。

變壓器是一個最常見的例子：初級繞組及次級繞組的結構(單位長度的圈數)、磁芯介電常數以及電流強度決定了磁場強度。根據對數字信號編解碼的不同，主要有以采用脈沖調制(ADI 公司)和射頻調制(芯科實驗室)為主的兩類產品。而采用巨磁電阻(GMR)效應技術設計的數字隔離器件是另一個例子，以NVE 公司和安華高公司為代表。

脈沖調制變壓器隔離器件

ADI 公司的ADuM 磁隔離芯片是基于芯片尺寸變壓器的磁耦合器，是采用脈沖調制方式實現的數字隔離器件。平面變壓器采用CMOS 金屬層，頂部鍍了一層金用于鈍化。在鍍金層下面的抗高擊穿電壓的聚酰亞胺層將其頂部的變壓器線圈和底部線圈隔離。連接到頂部和底部線圈的高速CMOS 電路為每個變壓器及其外部信號之間提供接口。晶片級信號處理提供了一種在單顆芯片中集成多個隔離通道以及其它半導體功能的低成本方法。iCoupler技術消除了與光耦合器相關的不確定的電流傳送比率、非線性傳送特性以及隨時間漂移和隨溫度漂移問題，功耗降低了90％，并且無需外部驅動器或分立器件。

數字信號的傳送是通過發送大約1ns寬的短脈沖到變壓器另一端來實現的，兩個連續的短脈沖表示一個上升沿，單個短脈沖表示下降沿。次級端有一個不可重復觸發的單穩態電路產生檢測脈沖。如果檢測到兩個脈沖，輸出就被置為高電平。相反的，如果檢測到單個脈沖，輸出就置為低電平。采用一個輸入濾波器有助于提高噪聲抗擾能力。如果1ms左右沒有檢測到信號邊緣，發送刷新脈沖信號給變壓器來保證直流的正確性(直流校正功能)。如果輸入為高電平，就產生兩個連續的短脈沖作為刷新脈沖，如果輸入為低電平，就產生單個短脈沖刷新。這對于上電狀態和具有低數據速率的輸入波形或恒定的直流輸入是很重要的。為了補充驅動器端的刷新電路，在接收器端采用了一個監視定時器來保證在沒有檢測到刷新脈沖時，輸出處于一種故障安全狀態。

ADI的ADuM磁隔離芯片是最早使用電磁隔離技術的，也是所有隔離器件里面功耗最低的隔離器，應用的是ADI 公司的icoupler專利技術，目前除ADI 的各大代理商外，北京晶圓智通科技有限公司（www.adum.com.cn）在專門的做ADuM 磁隔離芯片的技術推廣。

射頻調制變壓器隔離器件

芯科實驗室公司是采用射頻調制變壓器技術研發生產數字隔離器件的典型代表。其Si844x系列器件以一套專利架構為基礎，利用標準全CMOS 工藝制造多組芯片級變壓器，能夠提供整合度最高的6通道隔離功能。產品中采用的射頻編碼和譯碼機制使得不需要特別考慮或初始設定，就能提供可靠的隔離數據路徑。芯科實驗室公司產品的優點與ADI公司的產品類似，但有一個很明顯的缺點。由于采用射頻調制，內部有2.1GHz 的載波產生及檢測，載波和諧波會對外界產生電磁輻射，不過電磁輻射值滿足FCC(美國通信委員會)標準要求。

巨磁電阻隔離器件

NVE公司的IL系列和安華高公司的HCPL-90XX/09XX系列高速數字隔離器件是采用巨磁電阻技術集成的高速CMOS器件。在GMR隔離器中，輸入端信號在低電感線圈感應電流，產生正比的磁場。總的磁場改變GMR的電阻，通過CMOS集成電路分析，輸出就是輸入信號的精確重生。該類器件優點與別的電感式器件類似，但有幾個明顯的缺點：上電或初始狀態時輸入與輸出可能狀態不一致；對輸入噪聲敏感，伴隨一個噪聲尖峰，輸出不穩定，有可能與輸入不一致，也可能一致，還可能會振蕩;對較緩的脈沖上升沿，輸出可能隨輸入變化，可能不變，還可能會振蕩;輸出有過沖;無直流校正功能，無法傳輸直流信號。

電容隔離

TI公司的IS072x系列數字隔離器采用電容耦合技術。電容耦合使用不斷變化的電場來通過隔離層實現信息傳輸。電容器極板之間的材料是電介質絕緣體(二氧化硅)，即隔離層，這種高性能的絕緣體具有很穩定的可靠性和耐用性以及抗磁干擾能力和抗瞬態電壓能力。電極板的大小、板間距離以及電介質材料決定了電氣特性。采用電容隔離層的優勢是效率高，無論在體積、能量轉換還是在抗磁場干擾方面均如此。這種高效特性使得實現低功耗及低成本的集成式隔離電路成為可能。抗干擾性則使得器件可以在飽和或密集磁場環境下工作。與變壓器不同的是，電容耦合的缺點在于無差分信號，并且噪聲與信號共用同一條傳輸通道。這就要求信號頻率應遠高于可能出現的噪聲頻率，以便使隔離層電容對信號呈現低阻抗而對噪聲呈現高阻抗。電容耦合還存在帶寬限制，并需要時鐘編碼數據。

各數字隔離器件比較

各公司的隔離器件只要通道數相同，都采用相同的封裝，引腳相互兼容，僅有部分引腳定義稍有差異，大多數情況下都可相互替換。產品設計師可根據具體需要選擇不同公司的產品，也可在調試時更換，給產品設計留下了更多的選擇空間。

下面我們就以表格的形式來看一下各廠商的隔離器件性能比較：

目前各大廠商的數字隔離器里面，ADI的種類最多，不僅可提供5000V隔離度的隔離器，還可提供RS232、RS485、USB等隔離芯片，而且是唯一可集成DC-DC隔離電源隔離芯片；SI 只可提供單純的數字隔離器，不過可達6通道；NVE可提供RS485的隔離芯片；TI可提供RS485、CAN 的隔離芯片。所有數字隔離器里面，ADI的數字隔離器種類最多、型號最全、功耗最低、IO驅動能力（-35~+35mA）最強。

四、總線接口中隔離的應用

（一）隔離技術在RS485/422 中的應用

RS485/RS422 作為強健的接口標準，采用雙絞線電纜連接并具有寬共模電壓范圍內差分信號傳輸的低噪聲耦合特性，允許高達10Mbps 信號傳輸速率下進行數據交換。盡管該標準已被廣泛接受，但是他在實際應用中的一些具體問題并沒有得到深入的認識，甚至存在著種種誤區（比如接地、隔離及瞬態保護并沒有在實際使用中得到正確的應用），以至影響到整個系統的性能。

對于RS485 的隔離我們可以分四種方法：

第一種是比較傳統的光電隔離，一般會在CPU與RS485 收發器之間用三個光耦（如6N137）來分別隔離RX、TX、RE/DE，外用DC-DC隔離電源分別給一次端、二次端供電。這種隔離方法的優點是：電路比較成熟，成本較低。缺點是：整個電路體積大，集成度不高，存在LED老化，影響速度等問題。

第二種是采用數字隔離器件，如可以選用ADI的ADuM141x, 也可選用TI 的ISO72XX 數字隔離器，來替代CPU與RS485收發器之間的三個光耦。其它電路部分不變。這樣做的優點是：在一定程度上提高了電路的集成度,并且隔離性能也較光耦隔離有很大的增強。但還是需要雙電源供電。

第三種是采用ADI獨有的集成DC-DC隔離電源的數字隔離器ADuM5401, 以用來替代DC-DC隔離電源和三個光耦，優點是更加增強了電路的集成度，使隔離更為徹底。但仍然需要RS485 收發器來與之共同完成RS485 通訊。

第四種就是采用各大廠商的隔離型RS485 的芯片，比如ADI的ADM2483、TI的ISO3082或NVE的IL3585，但是這些雖然集成了隔離與RS485收發器，卻仍然需要雙電源供電。而ADI的新品ADM2587E/2582E，則完全集成了DC-DC隔離電源、數字隔離器、RS485收發器。真正的實現了RS485的完全隔離。

以上各種電路的優勢各有不同，我們在實際的研發工作中，可以根據不同的情況而作出不同的選擇。

（二）隔離技術在RS232 接口中的應用

由于RS232標準主要應用于多個系統間的通信，因此總線和每個連接系統之間的隔離就十分關鍵。數字隔離器可以為RS232和連接的系統之間提供過電壓保護， 同時可以消除接地環路減小信號畸變和錯誤。最簡單的情況下RS232 只要用三條線路就可實現：TX（傳送數據）、RX（接收數據）、GND（接地）。但大部分的數字隔離器并不支持RS-232標準。

所以數字隔離器對RS-232的隔離應在CPU與RS232收發器之間，一般只需隔離RX（收）、TX（發）兩根線就可以了。在以往的設計中，一般可以采用2 個高速光耦（6N137）實現電氣上的隔離，1個DC-DC電源隔離模塊（+5V 轉+5V）實現電源上的隔離，還需計算電阻值的大小以搭建出合理的收發器隔離電路。需要注意的是，RS232 的隔離除了用高速光耦來實現數據隔離之外，還需電源隔離。否則，隔離將失去意義。但這種隔離方式同樣存在體積大、集成度不高、LED老化等問題。

所以建議使用數字隔離器來隔離，可以選用ADI 的ADuM1201 或TI 的ISO721, 以及其它各大廠商的數字隔離器，只要注意一下通道方向的分布，各大廠商的數字隔離器是兼容的。同樣，以上各種型號都需要DC-DC隔離電源來實現電源信號的隔離。

ADI 的ADuM5241是一款集成了DC-DC隔離電源的雙通道數字隔離器，則使得電路更加簡化，可直接省去一個DC-DC隔離電源和2個6N137，只是注意一下ADuM5241 的驅動能力。

現在ADI又推出了新品：ADM3251E。這款芯片與ADM2582E/ADM2587E差不多，只不過是這個是用在RS232 隔離方案中，而且只提供一路收發。具有很強的保護能力，可適用于各種惡劣環境的RS232 通信中。

（三）隔離技術在CAN 總線中的應用

CAN（控制區域網）屬于串行通信總線，適用于強健的實時控制應用，因此在工業、交通、控制、測量領域有極廣泛的應用。如果單個CAN--bus節點設計不當，就會導致總線通信不良，甚至因為收發器電路而破壞整個CAN網絡的穩定性。尤其CAN 總線的工作場合經常十分惡劣，任何一點不利的因素均有可能使CAN 網絡崩潰，所以CAN--bus 接地、隔離及瞬態保護是十分必要的。

CAN--bus的隔離與RS232的隔離方案基本相同，數字隔離器的應用是在CAN控制器與CAN收發器之間，而且大部分也是隔離RX （ 收）、TX（發）。所以應用于RS232 隔離的型號都可用于CAN--bus的隔離。但是ADI目前還沒有集成CAN 收發器的數字隔離芯片，TI的ISO1050是一款集成了隔離的CAN 收發器，在具體的應用中大家可以參考多種方案，以便選出最佳方案。

（四）隔離技術在USB 中的應用

USB 是目前比較流行的一種總線通訊方式，在這里推薦ADI 的ADUM4160，專業的USB接口隔離芯片。

（五）瞬態保護

在實際工程使用中，使用了上述數字隔離方案的系統可靠性有了極大的提高，能消除噪聲并且防止電流在兩通信端之間流動，防止瞬態尖峰在系統內部的破壞性傳播。但是盡管數字隔離器件以內的電路系統沒有損壞，可是接口電路在有強烈的浪涌能量出現時，甚至可以看到收發器爆裂、線路板焦糊現象，雖然不至于影響整個系統的安全性，但也造成極大的不便。

出現該現象的原因：雖然隔離“切斷”了由電路路徑形成的環路，噪聲電壓只出現在隔離層上而非接收機或其他敏感組件上，但是接口電路必須要經過強烈能量的考驗。在接口端的瞬態干擾可能會有成百上千伏的電壓但持續時間很短，在切換大功率感性負載（電機、變壓器、繼電器），閃電等過程中都會產生幅度很高的瞬態干擾，如果不加以適當防護就會損壞接口。

對于總線上的這種瞬態干擾，可以采取瞬態抑制方法加以防護。實際應用中采用兩級防護措施；使用3個90V的陶瓷放電管（3RM090L-8）（可承受10/700μS，10/700μS為通信線路中感應出雷擊電壓波形，表示從零值上升到峰值的時間為10ms,下降至峰值一半的時間為700μS，8000V 雷擊測試）進行共模防護、差模防護，此時過電壓被大大削弱到500V 左右；再經過PTC（可采用100-200mA、耐壓250V 以上的自恢復保險絲K250-120U）或20Ω左右的電阻限流。TVS瞬態抑制二極管的選擇可以根據芯片的工作電壓與耐壓決定，一般略高于芯片最高工作電壓，RS485芯片可以選擇P6KE15CA，RS232芯片可以選擇P6KE18CA。

五、模擬與數字之間的隔離

一般地說，模擬電路與數字電路之間的轉換通過模數轉換器（A/D）或數模轉換器（D/A）來實現。但是，若不采取一定的措施，數字電路中的高頻振蕩信號就會對模擬電路帶來一定的干擾，影響測量的精度。為了抑制數字電路對模擬電路帶來的高頻干擾，一般須將模擬地與數字地分開布線。這種布線方式不能徹底排除來自數字電路的高頻干擾，要想排除來自數字電路的高頻干擾，必須把數字電路與模擬電路隔離開來，常用的隔離方法是在A/D轉換器與數字電路之間加入光電耦合器，把數字電路與模擬電路隔離開。在許多的工業現場，我們需要通過傳感器來采集多種信號，并把產生的數字信號都傳送到一個中央控制器，進行處理和分析。為了保證用戶接口端電壓的安全性，同時防止瞬態尖峰的傳輸，需要實現電流隔離。

對于傳感器的信號隔離，傳統的模擬隔離方案（如隔離放大器AD202）成本太高，可以采用數字隔離方案：AMP ADC數字隔離器MCU，這樣不僅降低了成本，而且也可以更好的實現隔離效果。

數字隔離器用來將系統現場的ADC、DAC 和信號調理電路與數字端的微處理器隔離開來。其中，需要隔離型DC-DC變換器來實現微處理器的信號線和電源線與ADC/DAC的信號和電源的相互隔離。隔離器件可選用ADI的ADuM1411或TI的ISO72XX系列數字隔離器。但都需要外加DC-DC隔離電源來實現電源隔離。

在完全的隔離系統中，從系統端向現場端提供隔離的電源是另一個要面對的挑戰，而在這方面也涌現了新的解決方案。傳統上，將電源從隔離的一端傳遞到另一端所用的技術包括使用單獨的、尺寸較大的、昂貴的DC-DC變換器，或者設計及接口均較困難的分立器件。

目前更好的方法是采用完整的、全部集成化的解決方案。一般的ADC或DAC都是以SPI總線的方式，進行傳輸通信的。ADI的ADuM5401就是專為這種隔離而設計的。同一芯片內，集成了500mW功率的DC-DC隔離電源和四通道的數字隔離器，可提供高達2500V的隔離強度，不僅避免了采用分立的隔離電源，而且降低了隔離系統的總成本，減小了電路板面積，縮短了設計時間。

六、研發中芯片選型的幾個要點

隨著集成電路技術的日益更新，IC 正在向低功耗、高集成度兩個方向不斷發展。這給我們的研發工作帶來了很大的方便，但同時也帶來更大的挑戰。這要求我們必須去關注各大廠商的最新解決方案通報，并且可能要花更多的時間來去閱讀資料。否則就有可能自己辛辛苦苦設計的N 久還不穩定的電路，后來才發現，原來某廠商已經設計好了；或者我們為了找一個能實現功能的芯片，而不得不花大量的時間與精力。

所以我們最后再給大家講講研發中芯片選型的幾個要點，我們研發人員在設計電路選型的時候，不能僅從性能的角度出發。總起來說基本要求我們從三個方面來考慮：

第一，我們首先考慮的是性能，因為研發人員最根本的任務，就是設計出穩定可靠的電路。而這就要求我們必須選擇，性能滿足要求的芯片。我們可以從以下幾個方面來考察芯片性能：1.看同行產品：如果同行有成功就用案例的話，那當然是沒問題的，因為誰也不會笨到用自己的產品來為推廣商們服務。如果有同行（最好是比較大的）的產品里面有用到這個的話，那十有八九是沒問題的，但這一點并不容易做到，因為你不可能輕易的看到同行的核心技術，而推廣商們說的話，你也不會完全相信。2.工程師推薦：在過去溝通極為不方便的時代，我們遇到技術問題只能靠書本。而現在隨著網絡的發展，溝通也變的極為方便起來，各大論壇里的大蝦們有的是成功經驗，而且也很樂意為你提供幫助。所以這種情況下我們要看看同行有沒有實際應用經驗，比如測試結果、論壇求助（別忘了對別人說聲謝謝）等。3.買個樣片來試試：這也是最直接的一種方式，好與不好只有自己用過才知道，買個樣片，做個板，拷拷機，就什么都知道了。

第二：性價比，也就是價格與性能的搭配。我們研發個東西不容易，現在經濟也危機了，要是成本太高的話，領導會說我們不考慮大局，不會辦事。到時候輕則由紅人變成黑人，重則沾經濟危機的光，會讓我們自謀出路！所以性價比是一定要考慮的，在這里貨比三家也是很有必要的，因為我們這一行還是以同行倒貨為主，不同人家報價會有天壤之別。所以碰到好的片子，不要因為一家告訴你一個天價就取消了。這方面的建議是：去網上搜一下，因為主要做什么片子的代理商們會有一定的網絡優勢的。

第三：那就是貨源問題了，如果一個片子不好買的話，你就一定要考慮到以后批量了，怎么辦？而且大的代理商們是不會理會小批量的采購的。比如現在的ADUM1401的片子基本都有貨期，而新出的ADUM1411就在市場上流通的很多。當然這一點只有我們專業做這個的才知道，所以多與技術推廣人員交流也不失為一種好辦法。

對于相關行業產品的資料，可以訂閱供應商的定期郵件，當然也可以讓供應商幫忙找找有沒有合適的芯片。還有一點要跟大家講講，就是我們更大一部分人，所效力的公司可能不大，那么對芯片的需求量也不是很大。這種時候代理商們是不會理我們的，貿易商們又沒有技術支持能力。所以選擇一些有技術實力的專業分銷商還是有必要的。






審核編輯：劉清