在工業自動化應用中可連接多個系統，這樣做有很多好處，但是當這些系統之間存在高壓差時，設計人員就需要管理電壓不一致問題，其中包括系統接地的較大壓差。
解決這些模擬和數字電流隔離挑戰的硬件技術包括光學、磁性和電容隔離柵。要隔離的傳輸信號類型包括模擬信號、電源信號和數字信號。本文將介紹適合的工業電壓隔離解決方案及其應用。
電流隔離柵
電流隔離是通過防止電壓和接地之間產生電流來分隔電路的行為。以下是從兩條或多條電路之間的直接連接形成的電流（圖 1）。
圖1：從工業機器人特寫照片可以看到控制、電機驅動和電源部分的隔離要求，以及這些區域之間的通信。（圖片來源：Texas Instruments）
在存在電流隔離情況下，沒有直接的傳導路徑。此類型電路的好處在於，可通過使用光場、磁場或電場，利用電流隔離柵交換模擬或數字信息。這些場打開了很多門。通過其中的一個門，多個系統可以在不同的接地和電壓電位下安全、正確地運行。它們還可以交換模擬或數字信息，而不會在過程中相互干擾或破壞。
為了解決這些問題，設計人員需要為多系統電路找到合適的電流隔離技術。可供選擇的技術包括光學（LED，光電二極管）、電氣（電容器）或磁性（電感器）解決方案。在本文中，所有隔離柵都在硅或半導體封裝的某個部分中實現（圖2）。
圖2：光耦合需要一個LED和光電二極管。電感耦合需要兩個由隔離器隔開的繞組。電容耦合需要兩個由隔離器隔開的導體。（圖片來源：Texas Instruments）
光學隔離
光學隔離依賴於傳輸光線的LED和接收光線的光電檢測器之間的分離。對於電流隔離，LED 通過隔離材料（如透明聚酰亞胺）對準光電二極管。
圖3：光耦合器包含一個發射器 (LED) 和一個光電二極管（接收器），使用環氧樹脂黏著到引線框架，二者之間的透明聚酰亞胺提供隔離柵。（圖片來源：Texas Instruments）
光隔離的優勢是不受電場和磁場的影響。但是，LED在其使用壽命內會老化。
- 光學隔離應用場景一：模擬信號
光隔離設備的隔離柵能夠傳輸模擬或數字信號。Vishay Semiconductor Opto Division IL300 線性光耦合器是一種線性光隔離器件，封裝內部有一個LED和兩個光電二極管，所有元件之間彼此實現電隔離。在IL300芯片中，LED光均勻照射在兩個光電二極管上，以產生同等的電流（IP1和IP2）（圖4）。
圖4：IL300 LED和光電二極管1 (IP1) 位於隔離柵的左側。光電二極管2 (IP2) 位於隔離柵的右側。（圖片來源：Vishay SemiconductorOpto Division）
在圖4中，U1放大器（Texas Instruments，TLV9064IDR）驅動IL300 LED以產生反饋光電二極管電流 (IP1)。前饋光電二極管電流 (IP2) 通過隔離式R2電阻器發送，該電阻器位於隔離式U2放大器的反饋環路中。在此電路中，增益等於R2/R1。另外，Vout信號不受VCC1相對VCC2的變化和兩個接地的影響。
LED亮度隨時間的推移會降低。但是，圖4中的系統不依賴於LED的亮度水平；它只要求LED打開。LED光線由兩個光電二極管平均地捕獲。要將IL300應用於圖1中的框圖，人機接口(HMI) 與機器人控制器之間的位置可能較為適合。
- 光隔離應用場景二：數字信號
光耦合器的另一個應用是將設備用作數字發射器。Vishay Semiconductor Opto Division的SFH6750-X007T雙通道光耦合器和QT Brightek的QTM601T1單通道光耦合器是高速光耦合器，採用開漏NMOS晶體管輸出，可輕鬆隔離模數轉換器 (ADC) 的三通道數字輸出（圖5）。
圖5：SFH6750雙通道隔離耦合器和QTM601T1單通道隔離耦合器構成了隔離24位ΔΣ ADC的隔離柵。（圖片來源：Digi-KeyElectronics）
在圖5中，一個24位三角積分 (ΔƩ) 轉換器的串行輸出代碼從電路的隔離側傳輸到系統側。SFH6750在數字域中以光學方式完成此傳輸。
SFH6750和QTM601T1配置提供高達10兆波特率(MBd) 的傳輸速度，因而適合高速數據應用。從圖1的框圖中可以看出，ADC接口可能適合放置於人機接口 (HMI) 與機器人控制器之間。
電感隔離
電感隔離採用兩個上下堆疊的線圈，線圈之間通過介電材料隔離開來。施加交流信號後會產生一個磁場，進而在次級線圈中產生一個電場（圖 6）。
圖6：變壓器配置結構包括採用聚酰亞胺分離開來的兩個繞組。（圖片來源：Analog Devices）
電感隔離非常有效。但是，它也容易受到磁場的影響。
- 電感隔離應用場景一：電源應用
磁性隔離柵適用於模擬和電源隔離應用。作為電源轉換器，Analog Devices的ADP1621ARMZ-R7隔離式升壓DC-DC控制器的電感器和外部電源FET在圖7中分別為T1和Q3。
圖7：使用ADuM3190磁性隔離放大器和ADP1621升壓DC-DC切換控制器的參考設計。（圖片來源：Analog Devices）
在圖7中，Analog Devices ADUM3190ARQZ-RL7高穩定度線性隔離式誤差放大器提供了從T1的次級側到初級側的模擬反饋信號。整個電路的工作電壓為5V到24V，適用於標準工業電源。
電容隔離
電容隔離元件的構造包括緊密相鄰的兩塊電容板，兩板之間夾有電介質。二氧化硅 (SiO2) 材料可植入電容板之間，以產生這種隔離能力。在此配置中，SiO2的擊穿電壓為500-800V/微米 (µm)。此類隔離器的典型距離為27µm，因此隔離柵隔離能力為13.5 kV至21.6kV（圖 8）。
圖8：電容板之間的電介質是二氧化硅 (SiO2)，可提供500-800V/µm的隔離保護。（圖片來源：Texas Instruments）
電容隔離最適合於小空間應用。然而，其周邊電路比光學和磁性解決方案更為複雜。
- 電容隔離應用場景一：模擬信號
典型的電容模擬隔離器如TexasInstruments AMC1301DWVRQ1或AMC1311DWV，接收模擬信號，將信號調製為數字表示，然後通過隔離柵傳輸數字化信號（圖9）。
圖9：AMC1311DWV電容式全差分模擬隔離器通過隔離柵傳輸二階三角積分 (ΔƩ) 調製器信號。（圖片來源：Texas Instruments）
在隔離柵的接收器側，信號被解調回差分輸出模擬信號。
電機控制環境中的電感負載易受高開關電壓擺動的影響。為確保正常運行，需要不斷監控此頻繁變化的環境。使用電阻分壓器降低電機驅動電路中的高共模電壓的隔離電壓檢測，就是相應的AMC1301和AMC1311隔離放大器電機控制應用（圖10）。
圖10：AMC1301檢測電感電橋的FET電流。AMC1311可感測變頻器中的直流總線電壓。（圖片來源：Texas Instruments）
在圖10中，通過分流電阻器RSHUNT和AMC1301隔離式放大器實現相電流測量。憑藉高阻抗輸入和高共模瞬態抗擾度，AMC1311可感測偏置電壓VBIAS，從而實現系統配置的穩定讀取。即使在高噪聲環境下，AMC1311也能確保可靠性和準確度，例如電機驅動器中所用變頻器的功率級讀取。
AMC1301和AMC1311均可抗電磁干擾，並具有高達7kVPEAK的電流隔離能力。當與隔離式電源配合使用時，AMC1301和AMC1311可防止高共模電壓線路的噪聲電流進入本地接地，以免干擾或損壞敏感電路。
- 電容隔離應用場景二：數字信號
在準備將直流信號傳輸至輸出引腳的過程中，典型電容式數字隔離器接收數字信號，將信號調製為適當的交流信號，然後發送至解調器（圖11）。
圖11：電容式數字隔離器需要將高直流輸入調製為交流信號。交流信號穿過隔離柵並解調回高直流值。（圖片來源：Silicon Labs）
在圖11中，只要傳輸信號保持高電平，就可以在接收器側生成高電平數字傳輸信號。此邏輯中的衝突是，如果電荷從電容板上消散，或者如果接收器端出現電源中斷，輸入狀態為高電平時，輸出可能會變為零。如果發生這種情況，接收器數字信號高電平狀態會丟失。為了解決此問題，調製器為數字“0”創建單個低電壓，併為數字“1”創建一個快速交流軌至軌信號（圖12）。
圖12：當輸入代碼為“1”時，數字電容隔離器通過隔離柵發送交流信號。當輸入代碼為“0”時，不需要發送此交流信號。（圖片來源：Silicon Labs）
一個電容式數字隔離實例就是，使用Silicon Labs SI8423數字耦合器連接微控制器和ADC之間的數字線路（圖13）。
圖13：四通道隔離式SPI接口，其中三個通道從左向右發送信號，一個通道從右向左發送信號。（圖片來源：Digi-KeyElectronics）
電容式數字設備消耗的功率較低，同時提供高數據速率和低傳播延遲。兩款器件均支持高達150兆位/秒(Mbits/s)的數據速率。
本文小結
在工業自動化應用中，多系統存在處理模擬和數字傳輸信號的困難，光學、磁性和電容電隔離柵可應對這些挑戰。通過組合使用這三種硬件技術和兩種信號傳輸技術，可實現適合的工業自動化解決方案。
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