信号隔离和电源隔离的知识点解读

作者：Sourav Gupta

在 110/220V AC 下运行的普通家用微波炉内部可产生高达 2800V 的电压，这是危险的致命性。除此之外，它还具有 3.5V 左右的较低水平 交流电压 来点亮灯丝，以及用于数字电子部件（如显示器或计时器）操作的 5V/3.3V 等稳压直流电压。您有没有想过，当您触摸烤箱时，是什么阻止了这些高压通过按钮或外壳到达您的手指？你的问题的答案是 “隔离”。 在设计涉及多于一种信号或多于一种工作电压的电子产品时，隔离用于防止一个信号干扰另一个信号。它还通过防止工业级产品中的故障情况在安全方面发挥着至关重要的作用。这种隔离通常称为 电流隔离。为什么用“电流”这个词？这是因为电流代表某种化学作用产生的电流，并且由于我们通过断开导体接触来隔离该电流，因此称为电流隔离。

电流隔离技术有多种类型， 选择合适的一种取决于隔离类型、承受能力、应用要求，显然还涉及成本因素。在本文中，我们将了解不同类型的隔离、它们如何工作以及在我们的设计中使用它们的位置。

电流隔离的类型

• 信号隔离
• 功率级隔离
• 电容器作为隔离器
• 信号隔离

如果两个不同性质的电路使用某种类型的信号相互通信，则需要信号电平隔离。例如，两个电路使用独立的电源并且工作在不同的电压电平。在这种情况下，为了隔离两个独立电源的单独接地并在这两个电路之间进行通信，需要信号电平隔离。

信号隔离是通过使用不同类型的隔离器来完成的。 光和电磁隔离器 主要用于信号隔离目的。这两种隔离器都可以防止不同的接地源组合在一起。每个隔离器都有其独特的工作原理和应用，将在下面讨论。

1. 光隔离器

光隔离器 使用光在两个独立电路之间进行通信。通常，光隔离器又名 光耦合器 在单个硅芯片内有两个组件，一个 发光二极管和一个光电晶体管。LED由一个电路控制，晶体管侧与另一个电路连接。因此，LED和晶体管没有电连接。通信仅通过光完成，光学。

考虑上图。一种流行的 光隔离器 PC817 隔离了两个独立的电路。电路 1 是带开关的电源，电路 2 是连接不同 5V 电源的逻辑电平输出。逻辑状态由左电路控制。当开关闭合时，光耦合器内的 LED 点亮并打开晶体管。逻辑状态将从高变为低。

使用上述电路隔离电路1和电路2。电流隔离对于上述电路非常有用。在几种情况下，低电位接地会引起高电位接地噪声，并产生接地回路，从而进一步导致测量不准确。与 PC817 类似，有多种 类型的光耦合器 可满足不同的应用需求。

2. 电磁隔离器

光隔离器可用于 直流信号隔离，但小 信号变压器等电磁隔离器 可用于 交流信号隔离。像 音频变压器这样的变压器 ，其初级和次级是隔离的，可以用于不同的音频信号隔离。另一个最常见的用途是网络硬件或以太网部分。 脉冲变压器 用于将外部接线与内部硬件隔离。甚至电话线也使用基于变压器的信号隔离器。但是，由于变压器是通过电磁隔离的，它只适用于交流电。

上图是带有集成脉冲变压器的 RJ45 插孔的内部示意图，用于将 MCU 部分与输出隔离。

功率级隔离

需要功率级隔离来 将低功率敏感设备与高功率噪声线路隔离开来， 反之亦然。此外，功率级隔离 通过将高压线路与操作员和系统的其他部分隔离开来，为危险线路电压提供适当的安全性。

1.变压器

流行的功率级隔离器又是一个变压器。变压器有很多 应用， 最常见的用途是从高压源提供低压。变压器在初级和次级之间没有连接，但可以将电压从高压交流电降压到低压交流电，而不会失去电流隔离。

上图显示了一个正在运行的降压变压器，其中初级侧输入连接到墙壁插座，次级连接到电阻负载。合适的 隔离变压器具有 1:1 的匝数比，并且不会改变两侧的电压或电流水平。隔离变压器的唯一目的是提供隔离。

2. 继电器

继电器是一种流行的隔离器，在电子电气领域有着巨大的应用。 根据应用的不同，电子市场上有许多不同 类型的继电器可供选择。流行的类型是电磁继电器和固态继电器。

电磁继电器与通常称为磁极的电磁和机械可移动部件一起工作。它包含一个电磁铁，可以移动磁极并完成电路。当需要从低压电路控制高压电路时，继电器会产生隔离，反之亦然。在这种情况下，两个电路都是隔离的，但一个电路可以使继电器通电以控制另一个电路。

在上图中，两个电路在电气上相互独立。但是通过使用电路 1 上的开关，用户可以控制电路 2 上的负载状态。了解有关 如何在电路中使用继电器的更多信息。

固态继电器和机电继电器 在工作方面没有太大 区别。固态继电器的工作原理完全相同，但机电部分被光控二极管取代。由于固态继电器的输入和输出之间没有直接连接，可以建立电流隔离。

3. 霍尔效应传感器

不用说，电流测量是电气和电子工程的一部分。有不同 类型的电流检测方法 可用。通常需要对高压和高电流路径进行测量，并且读取的值必须发送到作为测量电路一部分的低压电路。同样从用户的角度来看，侵入式测量是危险的并且不可能实施。霍尔效应传感器提供准确的非接触式电流测量 ，并有助于以非侵入方式测量流过导体的电流。它提供适当的隔离并确保免受危险电力的影响。霍尔效应传感器使用导体上产生的电磁场来估计流过它的电流。

芯环以非侵入方式钩在导体上，并且如上图所示是电气隔离的。

电容器作为隔离器

最不流行的隔离电路方法是使用 电容器。由于效率低下和危险的故障结果，这不再是首选，但仍然知道当您想要构建粗隔离器时它可能会派上用场。电容器阻挡直流并允许通过高频交流信号。由于这种优异的特性，电容器在需要阻断两个电路的直流电流但仍允许数据传输的设计中用作隔离器。

上图显示电容器用于隔离目的。发射器和接收器都是隔离的，但可以进行数据通信。

电流隔离 – 应用

电流隔离非常重要，应用非常广泛。它是消费品以及工业、医疗和通信领域的重要参数。在 工业电子市场中，配电系统、发电机、测量系统、电机控制器、输入输出逻辑设备等都需要电流隔离。

在 医疗领域，隔离是设备的主要优先事项之一，因为医疗设备可以直接与患者的身体相连。这样的设备是心电图、内窥镜、除颤器、不同种类的成像设备。 消费级通信系统也使用电流隔离。一个常见的例子是以太网、路由器、交换机、电话交换机等。普通消费品，如充电器、SMPS、计算机的逻辑板是最常见的使用电流隔离的产品。

电流隔离的实际示例

下面的电路是电隔离全双工IC MAX14852 （500 kbps 通信速度）或 MAX14854 （25 Mbps 通信速度）在RS-485 通信线上与微控制器单元的典型应用电路。该 IC 由流行的半导体制造公司 Maxim Integrated 制造。

此示例是工业设备上电流隔离示例的最佳示例之一。RS-485是工业设备中广泛使用的传统通信协议。RS-485 的普遍用途是 在 TTL 段上使用MODBUS 协议。

假设高压交流变压器正在通过 RS-485 协议提供安装在变压器内部的传感器数据。需要将 PLC 设备与 RS-485 端口连接以从变压器收集数据。但问题在于直接通信线路。PLC 使用非常低的电压电平，并且对高 ESD 或浪涌非常敏感。如果采用直接连接，PLC 可能存在高风险，需要进行电隔离。

这些 IC 对于保护 PLC 免受 ESD 或浪涌影响非常有用。

根据数据表，这两款 IC 的 ESD 耐受能力为 +/- 35kV，最长 60 秒的隔离电压耐受能力为 2.75kVrms。不仅如此，这些 IC 还确认了 445Vrms 工作隔离电压，使其成为适用于工业自动化设备的隔离器。