常用的三種隔離技術(shù)為光電隔離、電磁隔離和電容隔離，三者在功耗、速度和隔離電壓等方面通常不能達(dá)到最優(yōu)，各有優(yōu)缺點(diǎn)。

光電隔離利用“電-光-電”轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離傳輸，這類產(chǎn)品出現(xiàn)的最早，但由于存在光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，使其功耗遠(yuǎn)高于其他兩種，而且傳輸速率低、LED容易老化，正逐步被其它產(chǎn)品取代。電磁隔離采用變壓器進(jìn)行隔離，利用兩個(gè)線圈之間的變化磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了在隔離層上的數(shù)據(jù)通信，既可以傳輸數(shù)據(jù)也可以傳輸功率。電容隔離是利用電容充放電進(jìn)行隔離，抗電磁干擾能力比較強(qiáng)，速度和功耗低，但是難以進(jìn)行功率傳輸。

變壓器是利用線圈間的電磁耦合效應(yīng)完成能量的轉(zhuǎn)化。兩個(gè)線圈相互靠近時(shí)，其中一個(gè)線圈通有電流，它所產(chǎn)生磁通的一部分與另一只線圈相互環(huán)鏈，當(dāng)通電線圈中電流發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生了變化的磁通，另一只線圈在其影響下，穿過自身的磁通也發(fā)生變化，因此在線圈中就產(chǎn)生了感應(yīng)電流。與電源相連的線圈稱為主線圈或初級(jí)線圈，另一個(gè)線圈稱為副線圈或次級(jí)線圈，其電路模型如圖1所示。

圖1 變壓器耦合電路模型

理想變壓器的端口電壓和電流有如下關(guān)系，其中Lp和Ls是初級(jí)和次級(jí)繞組的自感，M 是互感。

圖2是變壓器磁耦合隔離的原理圖。磁耦合隔離是利用兩個(gè)線圈之間的變化磁場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)在隔離層上的數(shù)據(jù)通信。當(dāng)初級(jí)線圈中的電壓或電流發(fā)生變化時(shí)，穿過該線圈的磁通發(fā)生變化，影響次級(jí)線圈中磁通的變化，根據(jù)Faraday定律，次級(jí)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，交流信號(hào)就從初級(jí)線圈傳到次級(jí)線圈，實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)-磁信號(hào)-電信號(hào)的傳遞。其中，因?yàn)橹绷餍盘?hào)由于電流是恒定不變的，因而被隔離。

圖2 變壓器磁耦合隔離

信號(hào)傳輸有兩種方法：一種是脈沖編解碼，一種是開關(guān)鍵控（OOK）。圖3所示是基于脈沖編解碼的數(shù)字信號(hào)隔離原理圖。先將輸入數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼，當(dāng)遇到輸入信號(hào)的上升沿，編碼為兩個(gè)連續(xù)的脈沖，遇到輸入信號(hào)的下降沿，則編碼為一個(gè)脈沖信號(hào)。編碼產(chǎn)生的信號(hào)通過隔離型片上變壓器后傳遞給解碼器，解碼器負(fù)責(zé)將初始信號(hào)還原，并產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出。圖4所示是基于OOK的數(shù)字信號(hào)隔離原理圖，在OOK傳輸中，其中一種邏輯輸入信號(hào)由傳輸?shù)妮d波頻率表示，而另一種邏輯輸入無信號(hào)傳輸。

圖3 基于脈沖編解碼的數(shù)字信號(hào)隔離

圖4 基于OOK的數(shù)字信號(hào)隔離

在很多隔離的應(yīng)用中，常常會(huì)將電源隔離和數(shù)字信號(hào)隔離組合在一起使用，在功能上實(shí)現(xiàn)信號(hào)和電源的雙重隔離。將數(shù)字信號(hào)隔離變壓器和電源隔離變壓器做在一顆芯片上，再將信號(hào)發(fā)射芯片和信號(hào)接收芯片封裝起來。這樣就形成了數(shù)字信號(hào)和電源雙隔離的芯片。


審核編輯：劉清