😴 🚧 👨🏿‍🍳 电隔离。谁（如果不是光耦合器）？ 💻 ⛳️ 🔃

电子产品中有电气隔离之类的东西。它的经典定义是在没有电接触的情况下在电路之间传输能量或信号。如果您是初学者，那么该措辞将看起来非常笼统，甚至是神秘的。如果您具有工程经验或只是对物理有所了解，那么很可能已经考虑过变压器和光耦合器。

这篇文章致力于数字信号的电隔离方法。我们将告诉您为什么根本需要它，以及制造商如何在现代微电路“内部”实施绝缘屏障。

如前所述，这将集中在数字信号的隔离上。在本文的进一步，通过电流隔离，我们是指在两个独立的电路之间传输信息信号。

为什么需要

通过解耦数字信号可以解决三个主要任务。

首先是高压保护。确实，提供电流隔离是大多数电器上必须配备安全设备的要求。

让一个自然地具有较小电源电压的微控制器为功率晶体管或其他高压设备设置控制信号。这不仅仅是一项常见的任务。如果驱动器与控制设备之间没有隔离，从而增加了控制信号的功率和电压，那么微控制器就有可能被烧毁。另外，I / O设备通常与控制电路相关联，这意味着按下“开”按钮的人员可以轻松地闭合电路并承受数百伏的电击。

因此，信号的电流隔离可保护人员和设备。

同样流行的是将带有绝缘屏障的微电路用于连接具有不同电源电压的电路。一切都很简单：电路之间没有“电气连接”，因此信号是微电路输入和输出处信息信号的逻辑电平，分别对应于“输入”和“输出”电路上的电源。

电流隔离还用于提高系统的抗干扰能力。电子设备中的主要干扰源之一是所谓的普通电线，通常是设备的主体。当在没有电隔离的情况下传输信息时，公共线提供了传输信息信号所需的发送器和接收器的总电位。由于通常将公共线用作电源极之一，因此将各种电子设备（尤其是电源设备）连接到其上会导致产生短期脉冲噪声。当通过绝缘栅栏的连接代替“电气连接”时，将它们排除在外。

它是如何工作的

传统上，电流隔离建立在两个元素上-变压器和光耦合器。如果省略细节，则前者用于模拟信号，而后者用于数字信号。我们仅考虑第二种情况，因此有必要提醒读者注意谁是光耦合器。

为了在没有电接触的情况下传输信号，使用了一对发光器（通常是LED）和一个光电探测器。输入端的电信号被转换为“光脉冲”，穿过光传输层，被光电探测器接收，然后转换回电信号。

光耦合器隔离赢得了极大的欢迎，几十年来，它是唯一的数字信号去耦技术。但是，随着半导体工业的发展以及所有事物的集成，由于其他更现代的技术，出现了实现隔离栅的微电路。

数字隔离器是提供一个或几个隔离通道的微电路，每个通道在信号传输的速度和准确性，抗噪性以及最常见的每通道成本方面都“优于”光耦合器。

数字绝缘子的绝缘屏障是使用各种技术制造的。知名公司Analog DevicesADUM使用脉冲变压器作为数字隔离器的屏障。在微电路外壳内部有两个晶体，分别在聚酰亚胺薄膜上制成一个脉冲变压器。晶体发送器沿信息信号的前面产生两个短脉冲，并沿信息信号的下降产生一个脉冲。脉冲变压器允许以很小的延迟在执行反向转换的晶体发送器上接收脉冲。

所描述的技术已成功用于实现电隔离，在许多方面都优于光电耦合器，但是，它具有许多缺点，这些缺点与变压器对噪声的敏感性以及在短输入脉冲下工作时产生失真的风险有关。

在微电路中提供了更高级别的抗扰性，其中隔离栅在电容器上实现。电容器的使用消除了接收器和发射器之间的直流耦合，这在信号电路中相当于电流隔离。

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电容隔离的优点是能效高，尺寸小以及对外部磁场的抵抗力。这使您可以创建具有高可靠性的低成本集成绝缘子。它们由两家公司生产-Texas Instruments和Silicon Labs。这些公司使用各种技术来创建通道，但是在两种情况下，都将二氧化硅用作电介质。这种材料具有高介电强度，并且已经在微芯片的制造中使用了几十年。结果，SiO 2容易整合到晶体中，几微米厚的介电层足以提供几千伏的绝缘电压。

在位于数字隔离器主体中的一个（Texas Instruments）晶体或两个（Silicon Labs）晶体上，均放置了电容器焊盘。晶体通过这些焊盘连接，因此信息信号通过隔离栅从接收器传递到发送器。

尽管德州仪器（TI）和Silicon Labs使用非常相似的技术将电容性势垒集成到晶体中，但它们使用完全不同的原理来传输信息信号。

德州仪器（TI）的每个隔离通道都是相对复杂的电路。

考虑其“下半部分”。信息信号被馈送到RC电路，从中沿输入信号的边沿和衰减采取短脉冲，信号从这些脉冲中恢复。这种通过电容性势垒的方法不适用于缓慢变化的信号（低频）。制造商通过复制通道来解决此问题-电路的“下半部分”是高频通道，旨在接收100 Kbps的信号。

频率低于100 Kbps的信号在电路的“上半部分”中进行处理。输入信号经过高时钟频率的初步PWM调制，调制后的信号被馈送到隔离栅，信号被来自RC链的脉冲恢复，然后被解调。
隔离通道输出处的决策电路“决定”信号应从“一半”发送到微电路的输出。

从德州仪器（TI）隔离器通道图中可以看出，低频和高频通道均使用差分信号传输。我提醒读者其本质。

差分传输是一种防止共模干扰的简单有效的方法。发射机侧的输入信号被“分为”两个反相信号V +和V-，它们以相同的方式受到不同性质的共模干扰的影响。接收器减去信号，并排除了干扰Vsp的结果。

差分传输也用于Silicon Labs数字隔离器中。这些微电路具有更简单，更可靠的结构。为了通过电容性屏障，输入信号要经过高频OOK（开-关键控）调制。换句话说，信息信号的“单位”通过高频信号的存在进行编码，而“零”-通过高频信号的不存在进行编码。调制后的信号不失真地通过一对电容器，并在发射器侧恢复。