解讀高速數字電路中電子隔離應用技巧

概要

本應用報告概述了高速數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)信號傳輸的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并對ISO72x系列數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(kāi)來(lái)。在電子電路中，電介質(zhì)通過(guò)阻斷直流電(DC)實(shí)現電路隔離。那么被隔離的電路如何在一個(gè)更大的電氣系統中運行呢？這個(gè)問(wèn)題的答案便是本應用報告的主題。

隨著(zhù)德州儀器(TI)和其他供應商推出的產(chǎn)品數量不斷增加，隔離信號的傳輸選項也隨之增加，從而使設計人員在產(chǎn)品選擇上變得更加復雜。本報告闡述了隔離器的重要特性，并說(shuō)明了各產(chǎn)品之間的差異和相似之處。

在對電路隔離的必要性進(jìn)行回顧之后，我們對電介質(zhì)信號傳輸的三種方法以及模擬對數字隔離器進(jìn)行了討論，并對每一類(lèi)型數字隔離器的實(shí)例進(jìn)行了描述和對比。

2. 電路隔離的必要性

隔離電路的主要原因是保護電路不受危險電壓和電流的損壞。在圖1的醫療應用實(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(lái)保護病人。隔離還可對敏感電路進(jìn)行保護，使其免于受到工業(yè)應用中出現的高壓損壞。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。

保護原理是將高電壓電位(potential)隔離，其可能出現在各系統或電路中，如圖3中的線(xiàn)纜應用所示，其中的長(cháng)距離可以將一個(gè)驅動(dòng)器和接收機隔離。經(jīng)過(guò)如此的長(cháng)距離，接地可能處在不同電壓中。通過(guò)隔離，在隔離器而非敏感電路中形成電壓差。

圖3：設備之間的接地電壓差。

如圖4所示，通過(guò)相對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(guò)中斷該環(huán)路，噪聲電壓出現在隔離層上，而非出現在接收機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：電感馬達和閃電(lightning))耦合。

3. 電路隔離器

在允許通過(guò)電磁或光鏈路進(jìn)行模擬或數字信號傳輸的同時(shí)，電路隔離器阻礙了各電路之間的低頻電流。數字隔離器傳輸二進(jìn)制信號，模擬隔離器則在隔離層上傳輸連續信號。在模擬和數字隔離器中，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。當對數字信號進(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、信號速率、數據運行長(cháng)度以及自動(dòng)防護響應。

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