用于電路保護的模擬隔離技術(shù)

電路保護是電路設計的一個(gè)領(lǐng)域，可以制造或破壞產(chǎn)品。雖然仿真電路的行為符合預期，但現實(shí)生活遠非理想。在本文中，我們將探討模擬隔離、為什么可能需要它，以及如何在下一個(gè)設計中最好地實(shí)現它。

模擬隔離并非易事，設計人員選擇如何實(shí)現這一目標完全取決于他們。購買(mǎi)的解決方案易于實(shí)施，但根據所使用的解決方案，可能會(huì )很昂貴，而自定義解決方案可能非常耗時(shí)且復雜得多。

大多數應用只需要保護，而不是隔離，因此設計人員必須認識到隔離何時(shí)是絕對必要的。

電路保護是保護電路免受靜電放電（ESD）和干擾等破壞性事件的機制。實(shí)現電路保護可以使用多種方法完成，包括限流電阻、齊納二極管和保險絲。但是，某些應用可能會(huì )處理可能需要電氣隔離的高度敏感的應用。一個(gè)常見(jiàn)的例子是心電圖。

心電圖的獨特之處在于它使用連接到患者的導電墊來(lái)測量心臟跳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電脈沖。與光學(xué)心率方法不同，心電圖可以提供更多信息，包括異常的心臟模式和微弱的心跳。但是，在電涌等事件中，將導電電極連接到患者的胸部可能是致命的，電涌會(huì )穿過(guò)患者，從而導致心臟驟停。對于此類(lèi)情況，電路需要隔離，其中連接到患者的電極與電源供電的心電圖電氣隔離。結果是，由于電極是電隔離的（即沒(méi)有直接的電氣連接），因此心電圖的任何電涌體驗都無(wú)法傳遞到電極。

在數字世界中，使用光隔離器等設備很容易實(shí)現這種類(lèi)型的隔離，但模擬世界可能會(huì )帶來(lái)挑戰。數字世界僅由易于非電傳輸的 1 和 0 組成（存在/不存在光），模擬信號具有無(wú)限范圍，其值需要保留。

那么，如何隔離模擬信號，以及所有眾多隔離解決方案通常有哪些優(yōu)點(diǎn)/缺點(diǎn)？

可以提供某種形式的模擬隔離的一種方法是變壓器。通過(guò)鐵芯磁耦合的兩個(gè)線(xiàn)圈可以通過(guò)磁場(chǎng)相互傳遞能量。雖然這兩個(gè)線(xiàn)圈彼此電氣隔離，但這種類(lèi)型的隔離有其問(wèn)題。首先，雖然兩者是電隔離的，但浪涌能量可以通過(guò)變壓器傳輸。由于變壓器通常具有較大的電感，因此它們將能夠抵抗突然的能量尖峰（例如靜電放電或ESD引起的能量尖峰），但電源浪涌可能更難抵抗（因為它們在低頻域中）。

變壓器的另一個(gè)問(wèn)題是它們在交流領(lǐng)域工作，并且由于能量傳輸僅在磁場(chǎng)強度變化時(shí)發(fā)生，因此無(wú)法使用此方法隔離直流模擬電壓。更重要的是，變壓器通常設計為在特定頻率下工作。這使得它們對于未知頻率信號的模擬測量幾乎不切實(shí)際。

如前所述，數字信號非常容易隔離，模擬信號可以利用此解決方案進(jìn)行隔離。模擬信號首先轉換為數字脈寬調制（PWM）信號，其中PWM的占空比表示模擬值。然后使用光隔離器隔離該PWM信號，然后使用RC電路將光隔離器的輸出轉換回模擬信號。這種方法提供電涌和ESD保護，并保留直流值，因此使其成為變壓器更理想的選擇。但是，將模擬信號轉換為PWM信號可能會(huì )有問(wèn)題，具體取決于如何實(shí)現。如果使用所有模擬電路（與模擬信號相比為三角波）轉換信號，則保留無(wú)限范圍的可能值。但是，如果使用計數器（或任何計算設備）生成PWM，則模擬信號將被量化。這種量化意味著(zhù)產(chǎn)生的隔離模擬信號不會(huì )與原始信號真實(shí)，輸出模擬值將具有具有有限分辨率和不確定性水平。這種方法的另一個(gè)主要缺點(diǎn)是用于轉換原始模擬信號的電路不是隔離的，因此容易受到ESD和其他高能量源的損壞。

線(xiàn)性光隔離是一種在其線(xiàn)性范圍內使用光隔離器的技術(shù)。雖然光隔離器主要用于數字隔離，但它們由模擬部件構成，包括LED（通常是IR LED）和光電晶體管。

如果在電流域（與電壓域相反）中使用光隔離器，則輸出晶體管與IR LED的輸入電流呈線(xiàn)性關(guān)系。但是，由于多種原因，這種方法非常成問(wèn)題。首先，也許是最重要的一點(diǎn)，是光隔離器的線(xiàn)性范圍非常窄（以至于它們本質(zhì)上是非線(xiàn)性的）。其次，模擬電壓需要轉換為電流（而不是電壓），這需要運算放大器電路。第三，來(lái)自同一系列的光隔離器不會(huì )都具有相同的特性，因此可能表現不同，這使得它們對于生產(chǎn)產(chǎn)品不切實(shí)際（除非包括微調電路）。為了解決這個(gè)問(wèn)題，存在一種特殊范圍的光隔離器，其中包括兩個(gè)匹配的IR LED，可以在運算放大器電路中一起使用，以便非線(xiàn)性反饋到放大器中，從而保持模擬值。雖然這種隔離方法提供了真正的隔離，但它是一種難以實(shí)現的方法。

隔離放大器是采用上述方法之一進(jìn)行模擬隔離的集成電路，對于需要模擬隔離的工程師來(lái)說(shuō)，隔離放大器是最有可能的選擇。使用隔離放大器而不是定制隔離電路的原因包括制造商已經(jīng)設計了復雜的電路以產(chǎn)生線(xiàn)性關(guān)系（如果使用線(xiàn)性光隔離器方法），并且整個(gè)解決方案適合信號芯片。一些隔離放大器使用內部變壓器進(jìn)行模擬隔離。這種隔離方法是通過(guò)使用電壓-頻率轉換器將輸入的模擬電壓轉換為具有特定頻率的載波，將該載波通過(guò)內部變壓器，然后使用頻率-電壓轉換器將載波重新轉換為記錄的模擬電壓來(lái)實(shí)現。

某些場(chǎng)景可能需要更具創(chuàng )造性和“外部”的解決方案。機械方法可用于模擬隔離，這在涉及非常高能量的場(chǎng)景中可能是理想的選擇。機械隔離的一個(gè)例子是電控電位器，其中電機（更具體地說(shuō)，伺服）控制電位器上的位置。根據讀取的模擬值，伺服旋轉電位計以調整其旋轉角度以對應于模擬電壓（如果用作分壓器）。雖然這些方法非常慢，對于高頻模擬信號來(lái)說(shuō)并不理想，但它們可以（可以說(shuō)）提供最高水平的絕緣。然而，這些方法依賴(lài)于機械部件，這些部件會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而磨損。

雖然DIY解決方案可以為工程師提供解決手頭問(wèn)題的方法，但對于設計師來(lái)說(shuō)，專(zhuān)注于整個(gè)設計通常更為重要。因此，工程師通常最好看看市場(chǎng)上已有的模擬隔離解決方案，因為這些產(chǎn)品將節省設計人員的時(shí)間和金錢(qián)。

AMC1301 是一款隔離放大器，具有低失調誤差和漂移、8.2 固定增益、低非線(xiàn)性度以及低側和高側 3.3V 工作電壓。它使用內部ADC將讀取的模擬信號轉換為數字信號，然后將其隔離在柵上，然后使用DAC轉換為模擬信號。由于A(yíng)MC1301采用數字方法，隔離放大器不受磁場(chǎng)影響，因此適用于可能存在強磁場(chǎng)的環(huán)境。

ADUM3190WSRQZ是一款隔離放大器，與AMC1301類(lèi)似，它使用接收器/****對進(jìn)行隔離。但是，ADUM3190WSRQZ使用變壓器（很可能是電壓頻率法）作為隔離方法。該隔離放大器具有0.5%的初始精度，可隔離高達2.5kV的電壓，并提供寬溫度范圍。然而，使用內部變壓器意味著(zhù)該放大器容易受到強磁場(chǎng)的影響。