TI CTO谈合作型社会中的隔离技术

在人与机器持续交互的世界中，适当的隔离措施显得尤为重要。长达数英里的线路连接电动汽车中的开关、传感器和高压电机。工业控制器同工厂车间的传感器间交换数据、指令和功率。高压医疗设备监测诊所或康复护理机构中的患者。USB接口将工业机器连接到微处理器。高压继电器根据智能控制器的指令运行。

随着机械工业系统逐渐被电机、传感器和驱动器所取代，诸如以上的机器对机器和人对机器的交互应用也越来越多。笨重的机械开关被灵敏的触摸控件所取代。许多在高压下运行的电机应用也越来越多。半导体开关在高压环境的应用也日益普遍。它们都需要与智能控制器和驱动程序进行通信和交互。不断增加的工业、汽车、医疗和离线方面的应用也都需要隔离技术提供的保护、降噪和可靠性能支持。

隔离器对于正确应用下的可靠安全操作至关重要。例如，隔离器可以通过隔离高压或低压处理器的可触及电路防止人们触电，例如可以驱动高功率工业电机的C2000™微控制器。

隔离解决方案

在许多工业应用中，都需要以数百兆位甚至更高的数据传输速率在隔离势垒间高效、可靠地传输数据，并且防止高压浪涌。此外，在栅极驱动器和工业传感器应用中的某些隔离势垒间也需要传输数据和功率。日益增加的信道数量和对信道间隔离度的更高要求，也不断提升对小型化解决方案的需求。

集成隔离技术的关键属性

隔离究竟是什么？隔离势垒是一种物理介质，有助于在两个系统间可靠地交换数据和/或功率，同时阻隔多余的电流。集成隔离技术有几个关键属性：

• 隔离器在短时间内（浪涌电压）或正常工作（工作电压）期间可承受的最大电压。

• 隔离器在不产生通信错误的情况下可承受的最大接地电位差变化率。

• 电源引脚之间由隔离势垒、直接距离（间隙）和表面距离（漏电）引起的延迟。

• 电磁干扰的程度。

多种方法实现隔离技术

随着芯片封装的集成器件越来越多，独立电容器和变压器被取代，常用的几种方法如下：

电容式：采用多层氧化硅的集成电容器取代了独立电容器，在通过电场传输数据时可提供高水平的隔离性。我们的电容隔离技术在同一模块中并排放置的两个芯片上使用两个串联电容器。这种方法使我们能够为高数据速率传输提供具有竞争力的增强型隔离解决方案。电容隔离势垒上的数据速率可超过每秒几百兆位。通过一些创新的电路拓扑结构，数据速率可以更高，这对于工业以太网等应用具有显著的优势。我们公司的隔离器利用了定制化CMOS技术的一系列优势，可提供高性能的增强隔离势垒。

电感式：一对耦合电感器可用于隔离两个电路，同时通过磁通量交换数据。两个电感器可以嵌入层压印制电路板中或单片集成在管芯上。电感隔离的一个独特优势是能够在隔离势垒间传输超过数百毫瓦的功率，无需在辅面提供额外的电源。除了在隔离势垒间传输数据外，为了实现低输入电流和保证最高运行环境温度足够高，高效的能量输送对于许多工业应用来说也很重要。TI数字隔离器采用集成电源技术，通过创新的材料和电感器设计实现了最高的能量传输效率。

电容和电感隔离通常与数据和/或功率调节相结合。数据调节可最大限度地降低瞬态尖峰作为数据出现时的危险，有助于隔离保护信号并确保设备的平稳运行。功率调节可优化功率传输效率。

还可以通过物理分离两个系统并采用光学或电磁波通信的方式实现隔离。

一种隔离解决方案不能满足所有需求。在许多情况下，工业应用需要集成式解决方案，包括隔离放大器、隔离诸如RS-485信号的高速数据链路，隔离栅极驱动器等。随着人与机器日益增多的协同合作，高压隔离解决方案可确保系统更加稳健、可靠地运行。

关注最前沿的电子设计资讯，请关注“电子工程专辑微信公众号”