電子電路中隔離的全面介紹 （三）

電子電路中隔離的全面介紹之

                     -----數字電路的隔離（連載3）

數位隔離技術常用於工業網絡環境的現場總線、軍用電子系統和航空航天電子設備中，尤其是一些應用環境比較惡劣的場合。數位隔離電路主要用於數字信號和開關量信號的傳輸。數字隔離器件的生產商很多，如安華高的HCPL系列、TI的ISO72XX系列、ADI的 ADuM12/14XX系列、NVE的ILXX系列、芯科實驗室的SI84XX等公司，各廠商的產品都得到了廣泛的應用。依照數位式隔離電路的生產工藝、 電氣結構和傳輸原理，數字隔離電路主要分為光電隔離、電磁隔離以及電容隔離技術的數位隔離器件。

光電隔離

        在隔離方面，光電隔離可謂是老大哥了，也是最為我們所熟知的一種隔離器件，尤其是 6N137可謂是在高速數位隔離方面獨領風騷。其隔離原理我想就不用再過多的描述了吧。但隨著工業技術的不斷發展，光電隔離的速率、LED老化、使用不方便、功耗過高等缺點也暴露出來。但因為 6N137一直是主流，所以成本也比較低。

電磁隔離　　

        與光耦合一樣，電感耦合也有較長的應用歷史，但通常僅用於電源或模擬隔離器，而非數字器件。隨著製造工藝的進步和研發設計水平的提高，電感式數字隔離器件得到了迅速的發展和廣泛的運用。　　

        電感耦合使用不斷變化的磁場來通過隔離層實現通信。電感耦合的優勢之一是可以在不明顯降低差模信號的情況下最小化變壓器的共模噪聲。另一個優勢是信號能量的轉換效率極高，因而可以實現低功耗隔離器。變壓器是一個最常見的例子：初級繞組及次級繞組的結構(單位長度的圈數)、磁芯介電常數以及電流強度決定了磁場強度。根據對數字信號編解碼的不同，主要有以採用脈衝調製(ADI公司)和射頻調製(芯科實驗室)為主的兩類產品。而採用巨磁電阻(GMR)效應技術設計的數字隔離器件是另一個例子，以NVE公 司和安華高公司為代表。

        脈衝調製變壓器隔離器件　　

        ADI公司的ADuM磁隔離芯片是基於芯片尺寸變壓器的磁耦合 器，是採用脈衝調製方式實現的數字隔離器件。平面變壓器採用CMOS金屬層，頂部鍍了一層金用於鈍化。在鍍金層下面的抗高擊穿電壓的聚酰亞胺層將其頂部的 變壓器線圈和底部線圈隔離。連接到頂部和底部線圈的高速CMOS電路為每個變壓器及其外部信號之間提供接口。晶片級信號處理提供了一種在單顆芯片中集成多 個隔離通道以及其它半導體功能的低成本方法。iCoupler技術消除了與光耦合器相關的不確定的電流傳送比率、非線性傳送特性以及隨時間漂移和隨溫度漂移問題，功耗降低了90％，並且無需外部驅動器或分立器件。　　數字信號的傳送是通過發送大約1ns寬的短脈衝到變壓器另一端來實現的，兩個連續的短脈衝表示一個上升沿，單個短脈衝表示下降沿。次級端有一個不可重複觸發的單穩態電路產生檢測脈衝。如果檢測到兩個脈衝，輸出就被置為高電平。相反的，如 果檢測到單個脈衝，輸出就置為低電平。採用一個輸入濾波器有助於提高噪聲抗擾能力。如果1ms左右沒有檢測到信號邊緣，發送刷新脈衝信號給變壓器來保證直流的正確性(直流校正功能)。如果輸入為高電平，就產生兩個連續的短脈衝作為刷新脈衝，如果輸入為低電平，就產生單個短脈衝刷新。這對於上電狀態和具有低數據速率的輸入波形或恆定的直流輸入是很重要的。為了補充驅動器端的刷新電路，在接收器端採用了一個監視定時器來保證在沒有檢測到刷新脈衝時，輸出處於一 種故障安全狀態。

        ADI的ADuM磁隔離芯片是最早使用電磁隔離技術的，也是所有隔離器件裡面功耗最低 的隔離器，應用的是ADI公司的icoupler專利技術，目前除ADI的各大代理商外，北京晶圓智通科技有限公司在專門的做ADuM磁隔離芯片的技術推廣,網站上資料比較全：www.adum.com.cn.　　 

        射頻調製變壓器隔離器件　　

芯科實驗室公司是採用射頻調製變壓器技術研發生產數字隔離器件的典型代表。其Si844x系列器件以一套專利架構為基礎，利用標準全CMOS工藝製造多組芯片級變壓器，能夠提供整合度最高的6通道隔 離功能。產品中採用的射頻編碼和譯碼機制使得不需要特別考慮或初始設定，就能提供可靠的隔離數據路徑。芯科實驗室公司產品的優點與ADI公司的產品類似， 但有一個很明顯的缺點。由於採用射頻調製，內部有2.1GHz的載波產生及檢測，載波和諧波會對外界產生電磁輻射，不過電磁輻射值滿足FCC(美國通信委 員會)標準要求。

        巨磁電阻隔離器件　　

        NVE公司的IL系列和安華高公司的 HCPL-90XX/09XX系列高速數字隔離器件是採用巨磁電阻技術集成的高速CMOS器件。在GMR隔離器中，輸入端信號在低電感線圈感應電流，產生 正比的磁場。總的磁場改變GMR的電阻，通過CMOS集成電路分析，輸出就是輸入信號的精確重生。該類器件優點與別的電感式器件類似，但有幾個明顯的缺點：上電或初始狀態時輸入與輸出可能狀態不一致；對輸入噪聲敏感，伴隨一個噪聲尖峰，輸出不穩定，有可能與輸入不一致，也可能一致，還可能會振盪;對較緩 的脈衝上升沿，輸出可能隨輸入變化，可能不變，還可能會振盪;輸出有過沖;無直流校正功能，無法傳輸直流信號。

電容隔離

        TI公司的IS072x系列數字隔離器採用電容耦合技術。電容耦合使用不斷變化的電場來通過隔離層實現信息傳輸。電容器極板之間的材料是電介質絕緣體(二氧化硅)，即隔離層，這種高性能的絕緣體具有很穩定的可靠性 和耐用性以及抗磁干擾能力和抗瞬態電壓能力。電極板的大小、板間距離以及電介質材料決定了電氣特性。採用電容隔離層的優勢是效率高，無論在體積、能量轉換還是在抗磁場干擾方面均如此。這種高效特性使得實現低功耗及低成本的集成式隔離電路成為可能。抗干擾性則使得器件可以在飽和或密集磁場環境下工作。與變壓 器不同的是，電容耦合的缺點在於無差分信號，並且噪聲與信號共用同一條傳輸通道。這就要求信號頻率應遠高於可能出現的噪聲頻率，以便使隔離層電容對信號呈現低阻抗而對噪聲呈現高阻抗。電容耦合還存在帶寬限制，並需要時鐘編碼數據。

各數字隔離器件比較

　各公司的隔離器件只要通道數相同，都採用相同的封裝，引腳相互兼容，僅有部分引腳定義稍有差異，大多數情況下都可相互替換。產品設計師可根據具體需要選擇不同公司的產品，也可在調試時更換，給產品設計留下了更多的選擇空間。

下面我們就以表格的形式來看一下各廠商的隔離器件性能比較：

型號	廠商	采 用 技 術	隔 離 通 道	隔 離 電 壓	工 作 電 壓	工 作 電 流	輸出 電流	封裝
6N137	東芝	光電隔離	1	2500V	5V	15mA	50mA	DIP-8
ADuM1201	ADI	電磁隔離	2	2500V	2.7V--5.5V	1.6mA	35mA	SOIC-8
SI8421	SI	電磁隔離	2	2500V	2.7V--5.5V	5mA	10mA	SOIC-8
IL511	NVE	電磁隔離	2	2500V	3.0V--5.5V	4mA	10mA	SOIC-8
ISO721	TI	電容隔離	2	2500V	3.0V--5.5V	7.5mA	10mA	SOIC-8
各大 廠商 種類 比 較	目前各大廠商的數字隔離器裡面，ADI的種類最多，不僅可提供5000V隔離度的隔離器，還可提供RS232、RS485、 USB等隔離芯片，而且是唯一可集成DC-DC隔離電源隔離芯片；SI只可提供單純的數字隔離器，不過可達6通道；NVE可提供RS485的隔離芯 片；TI可提供RS485、CAN的隔離芯片。所有數字隔離器裡面，ADI的數字隔離器種類最多、型號最全、功耗最低、IO驅動能力最 強。（-35mA---+ 35m A）

關於數字隔離器的一些基本情況我們先介紹到這裡，下一章我們將重點介紹數字隔離器在嵌入式接口裡的應用。

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電子電路中隔離的全面介紹（二）

電子電路中隔離的全面介紹之

                     -----模擬電路的隔離（連載2）

    電子電氣設備的模擬電路部分通常包含供電系統、 模擬信號測量系統和控制系統。模擬電路的隔離比較複雜 ,要考慮模擬信號的精度、 線性度、 頻率響應、 噪聲響應等 ,特別要考慮系統對傳輸通道的精度要求 ,對精度要求越高 ,其通道的成本也可能越高。模擬電路的隔離主要採用變壓器、 互感器、 直流電壓隔離器、 線性隔離放大器等隔離方法。

一般的模擬隔離情況比較複雜、成本比較高。對於變壓器、互感器、直流電壓隔離器的隔離原理及方法我們在這裡就不做詳述了，來談一談大家比較關心的模擬隔離裡面常見的4 -20m A、0-10V的隔離。

工業現場最常見的信號是4 -20m A﹑0-10V，對於諸如壓力、溫度、流量等物理量也要處理成4 -20m A﹑0-10V信號以便計算機處理。將這些物理量轉換為儀表用4 -20m A﹑0-10V信號的設備稱為--變送器。

對於這兩種信號的隔離，在市面上都有相應的隔離產品，大家可以參照深圳市順源科技

http://www.sun-yuan.com/   的相關資料。

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電子電路中隔離的全面介紹 （一）

電子電路中隔離的全面介紹之

                    -----隔離技術的簡介及應用場合（連載1）

    在許多應用中，數據鏈路之間需要（甚至是必要的）非直接的（導電）連接，從而在提供數據的同時避免來自系統某一部分的危險電壓（或電流）對其另一部分造成破壞，造成這種破壞性失效的可能是電源質量低劣、接地故障、雷擊和浪湧等各種故障。此外，通信節點的間距可能相當 大，常常由不同接地區域的AC插座來給這些節點供電，這些接地區域之間的電位差（可能含有DC偏壓、50HZ的AC諧波和各種瞬態噪聲份量）也會造成破 壞。

在實際工程使用中，經常發生通過電纜邏輯接地或屏蔽將這些地線連接在一起的情況，可能形成接地環路，且電流將流入該電纜。接地環路電流會對通信產生嚴重影響（包括數據惡化、EMI過大、元件損壞），當電位差足夠大時，人體就有遭受電擊的可能。

一般在兩種情況下會採用隔離技術：第一種情況是：在有可能存在損壞設備或危害人員的潛在電流浪湧時。如醫療上的應用、電機控制、總線隔離等方面。第二種情況是：必須避免存在不同地位和分裂的接地回路的互連。兩種情況都是採用隔離來避免電流流過，而允許兩點之間有數據或功率傳送。

電路隔離的主要目的是通過隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷 ,從而達到抑制噪聲干擾的效果 ,使電子電氣設備符合電磁兼容性的要求。電路隔離主要有:模擬電路的隔離、 數位電路的隔離、 數位電路與模擬電路之間的隔離。所使用的隔離方法有:變壓器隔離法、 脈衝變壓器隔離法、 繼電器隔離法、 光電耦合器隔離法、 直流電壓隔離法、 線性隔離放大器隔離法、 光纖隔離法、 A /D轉換器隔離法等。

說直觀一點就是如果產品的使用環境比較複雜（比如工業環境），或涉及到多個不同電源供電系統之前的相互通訊（比如RS232、RS485、CAN等各種通訊接口）都需要（甚至是必須）隔離。

電子電路中的隔離會涉及到三個方面的隔離：

第一是電源的隔離，一般會選擇DC-DC隔離電源模塊。

第二是信號、數據的隔離，這一點我們會在以後的文章中介紹。

第三是地的隔離，隔離前側的地（GND）與後側的地（GNDISO）是不可以連接在一起的，但有些不得不連接在一起的場合，我們可以選用磁珠或0歐電阻放在兩個地之間。

關於電子電路中的隔離基本概念先寫到這裡，下篇我們要介紹電子電路中模擬電路的隔離。

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關於濾波電容、去耦電容、旁路電容作用

濾波電容用在電源整流電路中，用來濾除交流成分。使輸出的直流更平滑。
去耦電容用在放大電路中不需要交流的地方，用來消除自激，使放大器穩定工作。
旁路電容用在有電阻連接時，接在電阻兩端使交流信號順利通過。
1.關於去耦電容蓄能作用的理解
1）去耦電容主要是去除高頻如RF信號的干擾，干擾的進入方式是通過電磁輻射。
    而實際上，芯片附近的電容還有蓄能的作用，這是第二位的。
   你可以把總電源看作密雲水庫，我們大樓內的家家戶戶都需要供水，
   這時候，水不是直接來自於水庫，那樣距離太遠了，
   等水過來，我們已經渴的不行了。
   實際水是來自於大樓頂上的水塔,水塔其實是一個buffer的作用。
   如果微觀來看，高頻器件在工作的時候，其電流是不連續的，而且頻率很高，
   而器件VCC到總電源有一段距離，即便距離不長，在頻率很高的情況下，
   阻抗Z＝i*wL+R，線路的電感影響也會非常大，
   會導致器件在需要電流的時候，不能被及時供給。
   而去耦電容可以彌補此不足。
   這也是為什麼很多電路板在高頻器件VCC管腳處放置小電容的原因之一
（在vcc引腳上通常並聯一個去藕電容，這樣交流份量就從這個電容接地。）
2）有源器件在開關時產生的高頻開關噪聲將沿著電源線傳播。去耦電容的主要功能就是提供  
    一個局部的直流電源給有源器件，以減少開關噪聲在板上的傳播和將噪聲引導到地
2.旁路電容和去耦電容的區別
    去耦：去除在器件切換時從高頻器件進入到配電網絡中的RF能量。去耦電容還可以為器件     供局部化的DC電壓源，它在減少跨板浪湧電流方面特別有用。
旁路：從元件或電纜中轉移出不想要的共模RF能量。這主要是通過產生AC旁路消除無意的能量進入敏感的部分，另外還可以提供基帶濾波功能（帶寬受限）。
我們經常可以看到，在電源和地之間連接著去耦電容，它有三個方面的作用：
一是作為本集成電路的蓄能電容；
二是濾除該器件產生的高頻噪聲，切斷其通過供電回路進行傳播的通路；
三是防止電源攜帶的噪聲對電路構成干擾。    


在電子電路中，去耦電容和旁路電容都是起到抗干擾的作用，電容所處的位置不同，稱呼就不一樣了。
對於同一個電路來說，
旁路（bypass）電容是把輸入信號中的高頻噪聲作為濾除對象，把前級攜帶的高頻雜波濾除，而
去耦（decoupling）電容也稱退耦電容，是把輸出信號的干擾作為濾除對象
從電路來說，總是存在驅動的源和被驅動的負載。
如果負載電容比較大，驅動電路要把電容充電、放電，才能完成信號的跳變，
在上升沿比較陡峭的時候，電流比較大，這樣驅動的電流就會吸收很大的電源電流，
由於電路中的電感，電阻（特別是芯片管腳上的電感，會產生反彈），
這種電流相對於正常情況來說實際上就是一種噪聲，會影響前級的正常工作。這就是耦合。
去藕電容就是起到一個電池的作用，滿足驅動電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾。
旁路電容實際也是去藕合的，只是旁路電容一般是指高頻旁路，也就是給高頻的開關噪聲提高一條低阻抗洩防途徑。
高頻旁路電容一般比較小，根據諧振頻率一般是0.1u，0.01u等，
而去耦合電容一般比較大，是10u或者更大，依據電路中分佈參數，以及驅動電流的變化大小來確定。
去耦和旁路都可以看作濾波。去耦電容相當於電池，避免由於電流的突變而使電壓下降，相當於濾紋波。
具體容值可以根據電流的大小、期望的紋波大小、作用時間的大小來計算。去耦電容一般都很大，對更高頻率的噪聲，基本無效。
旁路電容就是針對高頻來的，也就是利用了電容的頻率阻抗特性。
電容一般都可以看成一個RLC串聯模型。在某個頻率，會發生諧振，此時電容的阻抗就等於其ESR。
如果看電容的頻率阻抗曲線圖，就會發現一般都是一個V形的曲線。
具體曲線與電容的介質有關，所以選擇旁路電容還要考慮電容的介質，一個比較保險的方法就是多並幾個電容。
去耦電容在集成電路電源和地之間的有兩個作用：
一方面是本集成電路的蓄能電容，
另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。
數位電路中典型的去耦電容值是0.1μF。
這個電容的分佈電感的典型值是5μH。
0.1μF的去耦電容有5μH的分佈電感，它的並行共振頻率大約在7MHz左右，也就是說，對於10MHz以下的噪聲有較好的去耦效果，對40MHz以上的噪聲幾乎不起作用。
1μF、10μF的電容，並行共振頻率在20MHz以上，去除高頻噪聲的效果要好一些。
每10片左右集成電路要加一片充放電電容，或1個蓄能電容，可選10μF左右。
最好不用電解電容，電解電容是兩層薄膜捲起來的，這種捲起來的結構在高頻時表現為電感。
要使用鉭電容或聚碳酸酯電容。
去耦電容的選用並不嚴格，可按C=1/F，即 10MHz取0.1μF，100MHz取0.01μF

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電容標示方法

1‧電容容量 

(1)以uF為單位：電容容量1uF以上者，直接以數值標示容量，例如10000uF，3300uF。 鋁電解電容即以此為標示。

(2)以pF為單位：第一位數與第二位數代表電容數值，第三個數字代表10的次方， 亦即數值後面0的個數。例如電容容量標示為104者，代表10後面有四個0，亦即 100000pF。

以上關係可以表示為1uF=106pF

2‧電容耐壓

電容耐壓以伏特v表示，直接標示在電容外殼或印在套膜上，選用電容時應注意電 路電壓峰值並預留餘裕。

各種大小不同的電解電容，注意上面有標示了耐壓值，電容容量，另外您還發現什 麼呢？它們都有一雙長短不一樣的接腳！WHY？因為它們都是有極性的！用的時候 可別接錯邊喔！

3‧電容極性

電容極性一般印刷在電容外殼或套膜上，或以較短的接腳代表負極。

左邊三顆是鉭固體電解電容，具有極性;右邊是積層電容，沒有極性，所以鉭質電 容的接腳有長短的分別，而積層電容則沒有！

4‧電容誤差：

電容誤差以字母標示如下

J ±5%
K ±10%
M ±20%