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隔离技术在嵌入式系统接口中的应用
来源:本站整理  作者:佚名  2009-08-11 13:55:29




1 隔离技术的简介及应用场合
    在许多应用中,数据链路之间需要(甚至是必要的)非直接的(导电)电连接,从而在提供数据的同时避免来自系统某一部分的危险电压(或电流)对其另一部分造成破坏。造成这种破坏性失效的可能是电源质量低劣、接地故障、雷击和浪涌等各种故障。此外,通信节点的间距可能相当大,常常由不同接地区域的AC插座来给这些节点供电,这些接地区域之间的电位差(可能含有DC偏压、50 Hz的AC谐波和各种瞬态噪声分量)也会造成破坏。
    在工程实际使用中,经常发生通过电缆逻辑接地或屏蔽将这些地线连接在一起的情况,可能形成接地环路,且电流将流入该电缆。接地环路电流会对通信产生严重影响(包括数据恶化、EMI过大、元件损坏),当电位差足够大时,人体就有遭受电击的可能。为了避免上述破坏,可引入非直接的(导电)电连接(称作“隔离”)。进行隔离是为了消除噪声并且防止电流在两通信端之间流动。隔离电路具有相对于其他电路元件极高的阻抗,从而“切断”了由电路路径形成的环路;断开环路后,噪声电压将出现在隔离层上而非接收机或其他敏感组件上。隔离原理如图1所示。

    一般在两种情况下会采用隔离技术:①有可能存在损坏设备或危害人员的潜在电流浪涌,如医疗上的应用、电机控制、交通户外设备等方面;②存在不同电位的接地回路的互连。这两种情况都是采用隔离来避免电流通过,而允许两点之间有数据或功率传送。隔离普遍应用于包含高压、高速或高精度的通信、长距离通信的场合,常见的有工业输入/输出系统、接口方面、总线、电源、电机控制、仪器仪表等。

2 隔离技术的分类
    当前有3种通常的隔离技术:光电隔离、变压器隔离(电感隔离)、电容隔离。此外,还有ADI公司的一项专利隔离技术,即磁耦(iCoupler)隔离技术。其中,光电隔离、电容隔离、磁耦隔离都属于数字隔离,而电感隔离通常仅用于电源或模拟隔离器,而非数字隔离器件。
    光耦合技术是在透明绝缘隔离层(例如空气间隙)上的光传输,完成了电一光电的转换,从而起到输入、输出隔离的作用。光耦合技术的主要优点是,光对外部电子或磁场内在的抗干扰性强,而且光耦合技术允许使用恒定信息传输。光耦合器的不足之处主要体现在速度限制、功耗以及LED老化上。
    变压器隔离使用变压器线圈来使传输信息通过隔离层,隔离前端的电流变化通过线圈引起隔离另一侧的电流变化。Ac信号(例如以太网)的隔离非常适合于变压器耦合。变压器隔离的优点是速度高,而且可以给隔离端供电;缺点是易受外部磁场(噪声)的干扰且变压器的体积比较大。
    电容耦合使用不断变化的电场来通过隔离层实现信息传输。电容器极板之间的材料是电介质绝缘体,即隔离层。电容隔离层的优势是效率高,无论在体积、能量转换还是在抗磁场干扰方面均如此。与变压器不同的是,电容耦合的缺点在于无差分信号,并且噪声与信号共用同一条传输通道。这就要求信号频率应远高于可能出现的噪声频率,以便使隔离层电容对信号呈现低阻抗,而对噪声呈现高阻抗。如同电感耦合一样,电容耦合也存在带宽限制。磁耦隔离技术是ADI公司的一项专利隔离技术,它是一种基于芯片尺寸的变压器,而非传统的基于光电耦合器所采用的发光二极管(LED)与光敏三极管结合。采用iCoupler技术的数字隔离器利用平面磁场专利隔离技术,并采用iCoupler变压器专利技术集成变压器驱动和接收电路,同时不再需要驱动LED的外部电路,具有低功耗、高集成度等特点。

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