数字隔离器

隔离用户及敏感电子部件是电机控制系统的重要考虑事项。安全隔离用于保护用户免受有害电压影响，功能隔离则专门用来保护设备和器件。电机控制系统可能包含各种各样的隔离器件，例如：驱动电路中的隔离式栅极驱动器；检测电路中的隔离式ADC、放大器和传感器；以及通信电路中的隔离式SPI、RS-485、标准数字隔离器。无论是出于安全原因，还是为了优化性能，都要求精心选择这些器件。

虽然隔离是很重要的系统考虑，但它也存在缺点：会提高功耗，跨过隔离栅传输数据会产生延迟，而且会增加系统成本。系统设计师传统上求助于光隔离方案，多年来，它是系统隔离的当然选择。最近十年来，基于磁性(变压器传输)方法的数字隔离器提供了一种可行且在很多时候更优越的替代方案；从系统角度考虑，它还具备系统设计师可能尚未认识到的优点。

本文将讨论这两种隔离解决方案，重点论述磁隔离对延迟时序性能的改善，以及由此给电机控制应用在系统层面带来的好处。

<strong>隔离方法</strong>

光耦利用光作为主要传输方法，如图1所示。发送侧包括一个LED，高电平信号开启LED，低电平信号关闭LED。接收侧利用光电检测器将接收到的光信号转换回电信号。隔离由LED与光电检测器之间的塑封材料提供，但也可利用额外的隔离层(通常基于聚合物)予以增强。

智能家居的发展愈来愈盛行，并且开始结合各式各样的智能化及绿能系统，例如光伏太阳能发电设备、电动车充电桩、水电气热智能仪表、视频监控系统等等。然而你可能不知道，维护这些系统正常运作并保障操作者安全必须仰赖一个重要的器件――隔离器。有了隔离解决方案在系统的高压和低压端提供了完善的保护，才能有效提升电力系统的性能、灵活性和可靠性。

有鉴于此，Silicon Labs（亦称“芯科科技”）近期于Computex 2017展会中以“智能家居的隔离方案”为主题，展示了旗下完整的数字隔离器阵容以及适用的家居设备和应用场景，帮助产品开发商及工程师们更加深入地了解默默守护智能系统的隔离技术。

<strong>无所不在的隔离器</strong>

与一般微控制器（MCU）和无线协议芯片等较为人熟知、主掌设备功能的半导体器件相比，隔离器对于系统的角色可以说是一个守护者，阻绝了可能损害整个系统的危险因子，同时也避免用户受到系统高电压的伤害。因此，目前家庭中愈来愈常见的光伏逆变器、电动车充电桩、智能仪表、水电气热智能仪表、视频监控系统和储能装置的内部，其实都采用了许多不同的隔离器。

<strong>作者：Bob Briano，ADI公司营销和应用经理；Aengus Murray，ADI公司电机和功率控制应用经理</strong>

<strong>简介</strong>

工业电机驱动中使用的电子控制必须能在恶劣的电气环境中提供较高的系统性能。电源电路会在电机绕组上导致电压沿激增现象，而这些电压沿则可以电容耦合进低电压电路之中。电源电路中，电源开关和寄生元件的非理想行为也会产生感性耦合噪声。控制电路与电机和传感器之间的长电缆形成多种路径，可将噪声耦合到控制反馈信号中。高性能驱动器需要必须与高噪声电源电路隔离开的高保真反馈控制和信号。在典型的驱动系统中，包括隔离栅极驱动信号，以便将逆变器、电流和位置反馈信号驱动到电机控制器，以及隔离各子系统之间的通信信号。实现信号隔离时，不得牺牲信号路径的带宽，也不得显著增加系统成本。光耦合器是跨越隔离栅实现安全隔离的传统方法。尽管光耦合器已使用数十年，其不足也会影响系统级性能。

变速电机驱动器在工业应用中的广泛使用要归功于高效电源开关和具有成本优势的电子控制电路。设计上的困难则是用低压控制电路耦合高功率开关电路，而不牺牲抗噪性能或开关速度。

<strong>来源：ADI 作者：Mark Cantrell</strong>

利用序列光耦合器建立双隔离栅会存在一些问题，因为数据完整性很差，而且没有一种紧凑和廉价的方式为两个隔离栅之间的接口提供电源。随着iCoupler?等高性能数字隔离器以及isoPower?器件集成电源的问世，通过分层隔离器建立高压隔离栅现在已经成为一种可行解决方案。

由于新型电池和发电产业的快速扩张，我们需要具有很高工作电压的接口，还要求提供加强绝缘。例如，太阳能逆变器应用具有以下要求：

<strong> 800 VDC的工作电压
2级污染等级
过压类别III</strong>

根据IEC 62109-1标准的有关加强绝缘的规定，这需要：

<strong>脉冲耐受6000 VPEAK电压
800 VDC的工作电压
8 mm的增强电气间隙
16 mm的增强爬电距离</strong>

此爬电距离在当前封装中不可能实现。但是，如果隔离栅可以分成基本隔离栅和补充隔离栅，则对每个隔离栅的要求是：