解讀高速數(shù)字電路中電子隔離應(yīng)用技巧

概要

本應(yīng)用報(bào)告概述了高速數(shù)字電路中電子隔離的必要性、實(shí)施以及特性，討論了在一個(gè)隔離層上進(jìn)行光、磁(電感)和電氣(電容)信號(hào)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并對(duì)ISO72x系列數(shù)字隔離器中使用的電容耦合技術(shù)作了特別的重點(diǎn)闡述。

1. 引言

隔離就是將一部分與其他部分中的非理想影響分離開來。在電子電路中，電介質(zhì)通過阻斷直流電(DC)實(shí)現(xiàn)電路隔離。那么被隔離的電路如何在一個(gè)更大的電氣系統(tǒng)中運(yùn)行呢？這個(gè)問題的答案便是本應(yīng)用報(bào)告的主題。

隨著德州儀器(TI)和其他供應(yīng)商推出的產(chǎn)品數(shù)量不斷增加，隔離信號(hào)的傳輸選項(xiàng)也隨之增加，從而使設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品選擇上變得更加復(fù)雜。本報(bào)告闡述了隔離器的重要特性，并說明了各產(chǎn)品之間的差異和相似之處。

在對(duì)電路隔離的必要性進(jìn)行回顧之后，我們對(duì)電介質(zhì)信號(hào)傳輸?shù)娜N方法以及模擬對(duì)數(shù)字隔離器進(jìn)行了討論，并對(duì)每一類型數(shù)字隔離器的實(shí)例進(jìn)行了描述和對(duì)比。

2. 電路隔離的必要性

隔離電路的主要原因是保護(hù)電路不受危險(xiǎn)電壓和電流的損壞。在圖1的醫(yī)療應(yīng)用實(shí)例中，即使是小量的AC電流也有可能造成致命的傷害，因此需要采用一個(gè)隔離層來保護(hù)病人。隔離還可對(duì)敏感電路進(jìn)行保護(hù)，使其免于受到工業(yè)應(yīng)用中出現(xiàn)的高壓損壞。圖2的工業(yè)實(shí)例僅為一個(gè)高壓測量法。將傳感器與實(shí)際高壓相隔離使得對(duì)低壓電路的測量成為可能。

圖1：電源和病人之間可能的電路通路。

保護(hù)原理是將高電壓電位(potential)隔離，其可能出現(xiàn)在各系統(tǒng)或電路中，如圖3中的線纜應(yīng)用所示，其中的長距離可以將一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收機(jī)隔離。經(jīng)過如此的長距離，接地可能處在不同電壓中。通過隔離，在隔離器而非敏感電路中形成電壓差。

圖3：設(shè)備之間的接地電壓差。

如圖4所示，通過相對(duì)于其他電路組件而言的高阻抗，隔離中斷了由電路通路形成的環(huán)路。通過中斷該環(huán)路，噪聲電壓出現(xiàn)在隔離層上，而非出現(xiàn)在接收機(jī)或更為敏感的組件上。噪聲電壓的高電平可以由外部電流或電壓源(例如：電感馬達(dá)和閃電(lightning))耦合。

3. 電路隔離器

在允許通過電磁或光鏈路進(jìn)行模擬或數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，電路隔離器阻礙了各電路之間的低頻電流。數(shù)字隔離器傳輸二進(jìn)制信號(hào)，模擬隔離器則在隔離層上傳輸連續(xù)信號(hào)。在模擬和數(shù)字隔離器中，工作和峰值額定電壓以及共模瞬態(tài)抗擾度均為這種隔離層的重要特性。當(dāng)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行隔離時(shí)，隔離電路的這些重要特性為輸入和輸出邏輯電壓電平、信號(hào)速率、數(shù)據(jù)運(yùn)行長度以及自動(dòng)防護(hù)響應(yīng)。

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