隔離信號和電源的4個常見問題

高壓電路設計需要通過隔離來保護操作人員、與低壓電路進行通信并消除系統內不必要的噪聲。數字隔離器提供了一種簡單可靠的方法，可以在工業和汽車應用中實現高壓隔離通信。

要保持信號通過隔離柵的完整性，需要隔離電路初級側和次級側之間的所有耦合路徑，包括電源。雖然數字隔離器的次級側通常需要很少的電源，但系統設計者常常會增加額外的電源余量，以便為多個設備供電。

在本文中，我將分享在隔離信號和電源設計時經常出現的問題，并簡要概述可用的分立式和集成式器件。

問題1：為什么要隔離數字隔離器的電源？

數字隔離器的內部架構由兩個獨立的數字集成電路 (IC) 組成，位于分離式引線框上，它們之間有一個高壓隔離電介質屏障，如圖1所示。每個IC都需要為設備的初級側和次級側提供單獨的電源和接地，它們之間沒有物理連接。此要求與器件支持基本隔離還是增強型隔離無關，適用于數字隔離器以及具有集成接口的隔離器件。

圖1：數字隔離器的內部架構包括一個分離式引線框，需要獨立的初級側和次級側電源

問題2：數字隔離器的電源要求是什么？

在為數字隔離器解決方案選擇電源拓撲之前，重要的是要確定電源的基本要求，包括輸入電壓范圍、輸出電壓、次級側所需的輸出功率和輸出軌的數量。與非隔離電源解決方案相比，隔離電源解決方案的其他考慮因素包括系統絕緣額定值、所需的爬電距離和間隙距離，以及靜電放電和系統的發射性能等電磁兼容性要求。行業終端設備標準對上述多種要求進行了規定。數字隔離器的輸入和輸出信號電壓通常取決于它們所施加的電源電壓，并且通常與次級側的電源電壓(V_CC)有直接關系。在最終確定電源輸入和輸出要求之前，我建議仔細查看數字隔離器數據表中的電源要求。針對接口元件的邏輯電平來優化數字隔離器也是一個好主意。例如，為與微控制器連接的數字隔離器提供5V電壓時，選擇在次級側也使用5V或接近5V邏輯電平的信號。

問題3：次級側電源可以用作隔離電源嗎？

在某些情況下，只要滿足隔離器邏輯電平的最低要求，系統中的兩個獨立電源軌即可用作初級側和次級側電源。其中包括與輸入和輸出信號電平相匹配的電源電壓電平，每個電平均提供單獨的接地。雖然可以使用現有的次級側電源，但噪聲耦合和電源調節通常會成為一項問題，設計者通常選擇設計已針對邏輯電平和系統噪聲性能進行了優化的隔離電源。

問題4：隔離電源有哪些解決方案？

為數字隔離電路設計隔離電源時，可以使用的方案有許多。數字隔離器的電源解決方案包括反激式、H橋電感器-電感器-電容器、推挽式和集成式隔離數據和電源解決方案。

帶電源的ISOW7741數字隔離器、帶電源的 ISOW1412 隔離式RS-485收發器或帶電源的ISOW1044控制器局域網收發器等集成的隔離數據和電源解決方案都具有集成式直流/直流轉換器。這些器件旨在滿足國際無線電干擾特別委員會(CIPSR) 32 B類限制，而且其尺寸明顯小于分立式設計備選方案。為了在盡可能小的占用空間中實現高性能設計，無需在電路板上安裝變壓器、減小電路板尺寸和簡化認證等優勢通常是不容忽視的權衡因素。

因此，雖然分立式解決方案在某些情況下可以提高效率和降低輻射發射，但最終節省空間和簡化認證的優勢能夠加快上市速度。