【隔离器使用说明】光隔、磁隔、容隔三兄弟介绍

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前言

本文简单介绍常用隔离器的类型和特点，是根据网络知识整理出来的== 有错误的话请一定评论留言哦~

隔离与可靠保护有关。电隔离是一种电路设计技术，允许两个电路进行通信，可消除在它们之间流动的任何不需要的直流电和交流电。电隔离确保数据传输不是通过电气连接或泄漏路径，从而避免安全风险。
隔离常用于：
● 保护操作人员和低压电路免受高电压影响。
● 防止通信子系统之间的地电位差。
● 改善抗噪性能。
隔离会带来延迟、功耗、成本和尺寸等方面的限制。数字隔离器的目标是在尽可能减小不利影响的同时满足安全要求。

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一、三种常用隔离技术

1. 光隔离

【原理】 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，以达到隔离目的。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电-光-电的转换，从而起到输入、输出隔离的作用。其电路结构如图1所示：

图1 光耦隔离电路

【隔离材料】 光耦器件对材料透光性的要求，使得多选用空气（Air）/氮气和环氧树脂（epoxies）作为隔离材料。

2. 变压器隔离/磁隔

【原理】 变压器隔离是利用变压器电流脉冲通过一个线圈，形成一个很小的局部磁场，从而在另一个线圈生成感应电流，即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。磁隔产品常用的数据传输方式，是将上升沿和下降沿编码为双脉冲或单脉冲，以驱动变压器。这些脉冲在副边解码为上升沿或下降沿。因此对于磁耦来说每个通道都包含：一个输入缓冲器，一个编码器，一个隔离变压器，一个解码器和一个输出缓冲器。
由于无需连续提供电源给器件，磁隔的功耗比光耦合器低10倍到100倍。变压器隔离的优点是速度高，但体积比较大。.其电路示意图如图2。

图2 磁隔电路

【隔离材料】 磁隔产品多选用聚酰亚胺（polymide）。

3. 电容隔离

【原理】 TI的容隔产品多采用on-off keying(OOK)调制方式，发送器发送一个高频信号代表一种数字状态，不发送信号代表另一种数字状态。经过信号调理后通过缓冲器发出。容隔器件的功耗基本不随传输数据速率的变化而改变。其电路示意图如图3。

图3 容隔电路

【隔离材料】 容隔器件选用绝缘强度最优的二氧化硅（SiO2）材料。

不同隔离材料的隔离特性对比如图4。其中绝缘强度值越大，表示材料的绝缘性能越好（单位Vrms指交流电的有效值），可见在这三种隔离类型中，容隔使用的材料具有最优的隔离能力，其次为磁隔。同时，相较于聚酰亚胺（polymide），二氧化硅（SiO2）的可靠性不会因为在潮湿环境工作而受到影响。

图4 材料隔离强度对比

二、隔离器重要指标

隔离器主要的性能指标包括隔离电压值、爬电距离和CMTI等，下面分别进行简单介绍。

1. 隔离电压值

• VIOTM、VISO用于衡量隔离器隔离瞬时高电压能力。
  VIOTM：隔离器可以忍受60s的正弦电压值，以电压峰值定义；
  VISO：隔离器可以忍受60s的正弦电压值，以电压有效值定义。

• VIORM、VIOWM用于衡量隔离器隔离持续高电压能力。
  VIORM：隔离器在其使用生命周期内，可以的持续工作正弦电压值，以电压峰值定义；
  VIOWM：隔离器在其使用生命周期内，可以的持续工作正弦电压值，以电压有效值定义。

• VSURGE：表示隔离器能忍受的最大1.2us/50us浪涌电压峰值。

容隔器件的手册中隔离电压可以达到5000V，相对于光隔较高。

2. 爬电距离

【爬电距离定义】 爬电距离是沿绝缘表面测得的两个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间的最短路径。在电气上，对最小爬电距离的要求，和两导电部件间的电压、绝缘材料的耐泄痕指数、电器所处环境的污染等级有关。

对最小爬电距离做出限制，是为了防止在两导电体之间，由于绝缘材料表面可能出现的污染物而出现爬电现象。爬电距离在运用中要求，所要安装的带电两导体之间的最短绝缘距离要大于允许的最小爬电距离。

实际设计时，爬电距离在元器件选型和布局时没有被过多关注，可以简单了解下==

隔离器中和爬电距离相关参数如下：
（1）Creepage
指隔离器两侧引脚沿隔离材料表面的最短距离，如图5所示。

图5 Creepage说明

（2）Clearance
指隔离器两侧引脚通过空气的最短距离，如图6所示。

图6 Clearance说明

隔离电压和爬电距离指标的具体说明参见TI的说明手册

3. 共模瞬变抗扰度CMTI

CMTI（Common mode transient immunity）是隔离产品最重要的指标之一，指在不发生传输比特错误的情况下，隔离器能容忍的隔离两侧地电位差（GND1-GND2）的最大变化率，单位是kV/µs或V/ns。

在应用中，这种瞬态冲击通常是由开关节点上的高dV/dt引起的。理论上在CMTI规格以内的冲击都无法改变输出状态，如果隔离器的CMTI能力不够强， 会出现类似丢失脉冲、传播延时大、误码等问题。

典型光耦合驱动器的CMTI规格在10-20 kV/µs之间，而最新产品则拥有大为改善的性能，其CMTI值达到50 kV/µs(最小值)；一些最新的变压器耦合栅极驱动器的CMTI规范为50 kV/µs(最小值)；最新的电容耦合解决方案也有相应的CMTI规范，支持信号完整性的CMTI为200 kV/µs(最小值)，支持闩锁抗扰的CMTI为400 kV/µs(最大值)。

因此从CMTI方面来说，在快速开关的情况下，容隔的数据传输安全度更高。

三、隔离器性能对比

类型	优点	缺点
光隔	电磁干扰低	速度较低，传输延迟较大；功耗较大；体积较大；光衰导致寿命较短
磁隔	传输速率高；耐压等级高	易受电磁干扰；成本较高；功耗较容隔大
容隔	传输速率高；体积小，材料性质稳定；电磁干扰低；耐压等级高；成本较低	要求信号频率远高于噪声预期频率

目前，信号传输的隔离方式趋向选择容隔。

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总结

三种隔离器的使用原理、特点以及隔离性能各不相同，它们在不同的使用场景中都会有用武之地。

例如变压器隔离，会在隔离收发器芯片中被用作隔离电压产生装置；光耦隔离和电容隔离被用于信号隔离电路。在使用时，电路中电容、电阻的参数选择需要参考隔离器的使用手册，选择不当会导致电路功能缺陷或损坏。

参考链接
CMTI参数对于隔离驱动器选型的重要性
【icspec】关于隔离器件，你需要知道的三件事
磁耦隔离与传统隔离的区别