隔离

毫无疑问，电源调节、传输和功耗都是日益重要的话题。人们期望智能产品功能日趋多样、性能更强大和外观更加酷炫。但是，所有电子产品都离不开电源，而且随着功能的丰富，业界看到了关注电源相关问题的重要意义。展望2019年最受广泛关注的三大问题是：密度、EMI和隔离（信号和电源）。

<strong>实现更高的密度：缩小电源管理所占的空间</strong>

由于半导体工艺技术和芯片功耗技术的进步，芯片上可以集成工作功能和晶体管，由此又增大了芯片的总体功耗，如图1所示。一些处理器现在可以消耗几百安培电流，并且可以在不到一微秒的时间内从低电流状态上升到完全激活状态。通过降低损耗和提高热性能实现“在硬币大小的面积上达到千瓦级功率”的密度目标并非一句玩笑话。

随着互联网和通信基础设施的蓬勃发展，数字控制技术在电信、网络和计算机的电源系统中越来越受欢迎，因为这类技术具备灵活性、器件数量减少、先进的控制算法、系统通信、对外部噪声和参数变化不太敏感等极具吸引力的优势。数字电源广泛用于高端服务器、存储、电信砖式模块等经常会有隔离需求的应用。

隔离在数字电源中的挑战是在紧凑的面积下如何快速准确地传输数字信号或模拟信号通过隔离边界。1 然而，传统光耦的解决方案有带宽比较低，电流传输比(CTR)会随温度和时间发生大幅变化等问题。而变压器的解决方案有体积庞大、磁饱和等问题。这些问题限制了光耦合器或变压器在某些高可靠性应用、紧凑型应用以及长寿命应用中的使用。本文讨论利用ADI公司iCoupler®产品的数字隔离技术，来解决在数字电源设计中遇到的这些问题。

<strong>需要隔离的原因</strong>

在设计电源时，遵守安全标准对于保护操作人员及其他人员免受电击和有害能量的侵害至关重要。隔离是满足安全标准要求的重要方法。许多全球机构（比如欧洲的VDE和IEC以及美国的UL）规定了不同输入和输出电压（稳态和瞬态）水平的隔离要求。例如，在UL60950中介绍了五类绝缘：

<strong><font color="#FF0000">作者：SiliconLabs副总裁兼电源产品总经理Ross Sabolcik</font> </strong>

全球汽车制造商（OEM）都在宣布推出新型电动汽车（EV）、混合动力电动汽车（HEV）和48V轻型混合动力电动汽车（MHEV）的积极计划。纯电动汽车正在实现两位数的增长率。48V MHEV系统正在崛起，将为标准内燃机（ICE）上的发动机子系统带来电气化。48V轻型混合动力设计的低成本及其改造现有传动系统的能力将进一步加速对汽车应用中功率电子设备的需求。

随着汽车设计转向电气化，高瓦数功率电子设备成为新型电子传动系统和电池系统的关键部件。这些高瓦数电子设备需要与低压数字控制器通信并由其控制，这需要在控制器和电力系统之间进行电气隔离。在这些应用中，电流隔离（通常是基于半导体的隔离）是必须的，以允许数字控制器安全地和现代EV高压系统进行连接。

<strong>EV系统概述</strong>

ADI 推出的新一代增强隔离式电源转换器——ADuM5020/6020和ADuM5028/6028系列，使系统满足EN55022/CISPR 22 B类电磁干扰(EMI)标准的需求，为器件级低辐射树立新的标准。

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新一代增强隔离式电源转换器无需在应用层面使用高成本的EMI抑制技术，并且可简化EMI认证流程，降低设计成本和缩短设计时间。

<font color="#FF0000">Conal Watterson博士 ADI公司应用工程师</font>

对处于恶劣环境中的外部接口需要予以电流隔离，以增强安全性、功能性或是抗扰能力。这包括工业测量和控制所用数据采集模块当中的模拟前端，以及处理节点之间的数字接口。

在过去，最多数Mb的带宽对转换器接口或工业背板就足够了，所以使用光耦合器便能对串行外设接口(SPI)或RS-485之类的协议进行隔离。数字隔离器改善了此类隔离接口的安全性、性能和可靠性，并且提供集成式隔离和I/O。然而，工业4.0和物联网(IoT)这类趋势要求以更高的速度与精度进行更为普及的测量与控制，因而越来越需要更大的带宽。

电流隔离的需求也随之激增，因为有更多与物理域进行的数字互动需要避免电机和电力系统、操作员、静电放电、以及诸如雷击所造成的浪涌等外部因素所带来的影响。精密测量可能也需要与噪声源（像是更为局部的微型电力电路和高速数字处理等）隔离。

模拟隔离技术 ：在许多应用中，传感器与接收数据的系统之间最好不要有直接的(“电流”)电气连接，这点 有时甚至非常重要。这样可能是为了防止系统一半产生的危险电压或电流给另一半造成损 坏的可能，或者是为了断开难以处理的接地环路。这即是所谓的“隔离”系统，而无电流连 接却允许信号通过的布局则称为隔离栅。

隔离栅的保护是双向的，可能是其中一个方向需要保护，甚至可能两个方向都需要保护。 一种明显的应用是，传感器可能意外遇到高电压，必须对其驱动的系统进行保护。或者， 传感器可能需要与后级产生的意外高电压隔离开来，以保护其工作环境：例如防止传感器 火花引起爆炸性气体点火，以及保护正在接受ECG、EEG或EMG监护的病人免受电击危 害。ECG的情况比较有意思，因为可能需要进行双向保护：对病人必须采取保护防止意外 电击；但是，如果病人的心脏停止跳动，则在利用除颤器尝试恢复心脏跳动时，必须保护 ECG机，使其免受施加给病人的极高电压(>7.5 kV)影响。下面的图1总结了(模拟和数字)隔离放大器的各种应用。