為什么選擇電容隔離：智能城市傳感器的重要組成部分

1.前言

隨著全球每個(gè)角落的城市化進(jìn)程不斷發(fā)展，應(yīng)對(duì)這種增長(zhǎng)的答案就是智慧城市。建設(shè)智慧城市涉及基礎(chǔ)設(shè)施的范式轉(zhuǎn)變，具有復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)和關(guān)鍵模塊之間的通信控制，例如基于社區(qū)的電網(wǎng)、公用事業(yè)和天氣監(jiān)測(cè)。

基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的支柱是傳感器技術(shù)。傳感器是一種設(shè)備、模塊或子系統(tǒng)，用于檢測(cè)其環(huán)境中的事件或變化，并將該信息發(fā)送到其他電子設(shè)備，例如計(jì)算機(jī)處理器。我們可以想象這個(gè)傳感器連接到實(shí)際系統(tǒng)，該系統(tǒng)可能是來自社區(qū)電網(wǎng)一部分的屋頂太陽(yáng)能的逆變器；供暖、通風(fēng)和空調(diào) (HVAC) 系統(tǒng)；或用于家庭或商業(yè)建筑、自動(dòng)洗衣店或洗車系統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)。

這些系統(tǒng)有什么共同點(diǎn)？所有這些系統(tǒng)都在高電壓下運(yùn)行并消耗或提供大量電流。傳感器數(shù)據(jù)必須傳輸?shù)娇刂破鞫耍ㄞD(zhuǎn)換測(cè)量值以供人類讀取的設(shè)備）。該控制器也可以是人機(jī)界面 (HMI)，例如用于監(jiān)控家中太陽(yáng)能逆變器能量輸出的觸摸屏。因此，傳感器側(cè)的任何高壓——如果暴露在控制器側(cè)——不僅可能損壞控制器，而且可能對(duì)人體構(gòu)成危害。在高度涉及自動(dòng)化、過程控制和測(cè)試的工廠環(huán)境中，或者在與患者直接接觸的醫(yī)療設(shè)備中，也可能存在同樣的風(fēng)險(xiǎn)。

2.為什么要隔離

為了防止高壓危險(xiǎn)，我們需要一個(gè)隔離器作為屏障，阻斷共模電壓，同時(shí)仍然允許傳感器和控制器之間的信號(hào)電壓。隔離器可在涉及高電壓和高功率的惡劣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的整體系統(tǒng)。

智慧城市的另一個(gè)關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)是快速的數(shù)據(jù)速率。由于傳輸數(shù)據(jù)和信號(hào)需要高功率，因此只有使用需要隔離的電信基礎(chǔ)設(shè)施才能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。例如，智慧城市的市民希望無人機(jī)能夠快速運(yùn)送他們?cè)诰W(wǎng)上訂購(gòu)的外賣食品。這種期望需要超快速通信，這需要電信基礎(chǔ)設(shè)施通過基站和手機(jī)發(fā)射塔以高功率水平向移動(dòng)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。

3. 如何隔離

電流隔離是指在主源體和接受體之間沒有電耦合(即不用導(dǎo)線連接)的情況下從主源體向接受體傳遞信號(hào).為了在電流隔離電路之間傳遞電信號(hào)往往利用磁場(chǎng)能量變壓器隔離或光能(光導(dǎo)發(fā)光元件隔離）。

電流隔離是一種隔離電氣系統(tǒng)功能部分的技術(shù)，以防止直流或不受控制的瞬態(tài)電流在它們之間流動(dòng)。然而，數(shù)據(jù)和能源仍然需要通過電流隔離屏障。

電流隔離屏障基于光學(xué)、磁性或電容隔離技術(shù)，如圖 1 所示。

三種技術(shù)中的每一種的屏障介質(zhì)都不同，但最終目標(biāo)是相同的。光隔離是三種技術(shù)中最古老的，并且使用簡(jiǎn)單。光學(xué)技術(shù)基于發(fā)光二極管 (LED)，其中由二極管傳輸?shù)墓鈧鬏敂?shù)據(jù)。然而，光隔離的缺點(diǎn)是速度低（因?yàn)?LED 需要時(shí)間打開）、高功耗以及在其整個(gè)生命周期中的性能下降。由于 LED 的物理尺寸限制，很難減小隔離器件（隔離器、隔離柵極驅(qū)動(dòng)器）的尺寸

在磁性和電容隔離中，數(shù)據(jù)以數(shù)字方式通過屏障傳輸。磁隔離，也稱為電感隔離，脈沖電流以高達(dá) 100Mbps 的速度通過隔離屏障。然而，功耗隨著數(shù)據(jù)速率的增加而增加。磁隔離對(duì)電磁干擾也很敏感，并且在涉及電機(jī)的 HVAC 系統(tǒng)和工廠自動(dòng)化等環(huán)境中，強(qiáng)磁場(chǎng)很強(qiáng)且普遍存在。

圖 1：隔離技術(shù)

電容隔離是更好的解決方案

與磁隔離一樣，電容隔離具有數(shù)字電路，用于對(duì)通過隔離屏障的輸入交流信號(hào)（電容器不能傳遞直流信號(hào)）進(jìn)行編碼和解碼。電容隔離器無法通過 DC 信號(hào)，這使得它們天生就是隔離的正確選擇。電容隔離器不易受磁噪聲影響，同時(shí)保持高數(shù)據(jù)速率和低功耗。

在惡劣的環(huán)境和應(yīng)用中，我們可以看到電容隔離優(yōu)于光和磁隔離技術(shù)的價(jià)值?？吹?strong>智能城市基礎(chǔ)設(shè)施的快速增長(zhǎng)尤其令人興奮，隔離是一個(gè)不可或缺的組成部分。