關(guān)于信號隔離與電源隔離，這些知識點(diǎn)很重要！

時間：2021-03-01 14:45:31

關(guān)鍵字：模擬信號電源設(shè)計

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[導(dǎo)讀]隔離數(shù)字信號的辦法很多，隔離模擬信號的辦法卻沒有想象的那么多，關(guān)鍵是隔離的成本，比想象的都要高出許多。特別是要求精確測量的場合，模擬信號的隔離，成本高得更加是離譜的無法想象。

第一部分信號隔離

模擬信號的隔離是非常頭疼的，有時候不得不需要隔離。大部分基于以下需要：

1.隔離干擾源；

2.分隔高電壓。

隔離數(shù)字信號的辦法很多，隔離模擬信號的辦法卻沒有想象的那么多，關(guān)鍵是隔離的成本，比想象的都要高出許多。特別是要求精確測量的場合，模擬信號的隔離，成本高得更加是離譜的無法想象。我從事這種系統(tǒng)開發(fā)多年，對自己所知道的隔離方法做個小小的總結(jié)：

數(shù)字隔離方法：

1. 光耦；

2. ADI 的磁隔離芯片,ADuMXXXX(XXXX為數(shù)字代號，如 I2C的ADuM1250)；

3.自己用變壓器隔離。

數(shù)字隔離辦法，一般實(shí)現(xiàn)的都是單向數(shù)字信號的隔離，對于雙向數(shù)字信號，需要兩個隔離單元來實(shí)現(xiàn)，體積非常的驚人；很難減小體積。相對于速度很成本，如果速度小于100KHz以下，個人推薦用Ps2501這樣的常用光耦隔離數(shù)字信號，很好的性價比，隔離度也非常的高。一般Ps2501這樣的光耦隔離度都在3000V/RMS以上。

但是如果隔離數(shù)字信號的頻率在200KHz以上，用Ps2501這樣的光耦就不行了，要換高速的數(shù)字光耦，價格成本也上去了，不劃算了。所以可采用ADI的磁隔離芯片。最便宜的磁隔離芯片每通道的價格在$0.7，算下來人民幣也才4~5塊人民幣，選擇6N137、6N136這樣的高速光耦，已經(jīng)沒有性價比可言，浪費(fèi)大量的PCB空間用于隔離部分。成本在4塊左右，甚至更高，主要看你的6N137的采購量。但ADuM系列的磁隔離芯片的尺寸小很多很多，價格相比也很有優(yōu)勢。唯一美中不足的是磁隔離芯片的隔離電壓只能到1000V左右，這個是個很頭疼的問題。如果只是隔離干擾源，自然沒問題，如果是隔離高電壓，那么要仔細(xì)考量一下設(shè)計了。

自己用隔離變壓器來隔離的辦法，一般人是用不到的，因?yàn)橥耆珱]有經(jīng)濟(jì)效益。它只有一點(diǎn)好處，就是隔離電壓可做得非常高，一般只有變頻器、逆變器等IGBT的驅(qū)動，需要隔離非常大的電壓，超過5000V；才使用。因?yàn)橐话愕男酒凸怦疃紝?shí)現(xiàn)不了了。

模擬信號的隔離：

1.線性光耦；

2. 隔離放大器；

3.頻壓轉(zhuǎn)換和壓頻轉(zhuǎn)換+數(shù)字隔離；

4.飛電容；

5.采用DA/AD+數(shù)字隔離的辦法實(shí)現(xiàn)模擬信號的采樣復(fù)原，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)隔離的辦法；

6.普通光耦實(shí)現(xiàn)的線性隔離。

線性光耦，做過隔離的朋友都知道。如以前的TIL300，不過好像已經(jīng)不生產(chǎn)了?？梢赃x擇Vishy的IL300作為替代。作為一般模擬信號的線性隔離，是個不錯的選擇。(我就不上傳圖了)，一般來講，線性光耦需要兩個運(yùn)放和一些高精度電阻組成合適的電路才能完成信號的隔離。也只是單向隔離。IL300的價格在十幾塊錢人民幣左右，如果想得到比較好的溫度特性，需要兩個比較好的運(yùn)放，所以整個隔離下來的成本在每路：30RMB/Ch，隔離的頻率在200kHz左右。線性度其實(shí)并不理想，0.1%的精度都比較難保證；但手冊上寫著可以到0.01%的伺服精度。實(shí)際上，因?yàn)闇囟鹊挠绊懀€性度在+/-0.5%，所以有更高隔離線性度的童鞋們就不能選擇這種辦法了。但對于大多數(shù)場合都是可以的；

隔離放大器，這個是個終極的寶貝啊，有很多廠家都有，中國小廠一堆生產(chǎn)這種東西的。線性度都能達(dá)到0.1%，比較上檔次的是Ti和ADI的隔離放大器，這些東西的成本很高。Ti有一款號稱是全球價格最低的隔離放大器，ISO124 。隔離放大器的話，性能穩(wěn)定，線性度良好，大多數(shù)都能達(dá)到或遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過0.1%，都能達(dá)到0.01%；但價格的話至少都在40RMB/Ch，ADI的就更加離譜了，大概能到40dollar/Ch，對于做一般工業(yè)產(chǎn)品的制造商來講，實(shí)在是望而卻步。

第三種方法和第五種方法大同小異，都是把模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號然后再隔離數(shù)字信號。數(shù)字信號再復(fù)原成模擬信號，所以，這也意味著這種電路復(fù)雜得很。但從隔離效果上講，應(yīng)該是一種比較合理的隔離方式。至少在成本和精度上，和隔離放大器最有一拼的。壓頻轉(zhuǎn)換和頻壓轉(zhuǎn)換都非常的貴，所以，這種器件不適合做低帶寬信號的轉(zhuǎn)換；壓頻和頻壓轉(zhuǎn)換不需要單片機(jī)的參與，電路上更為簡潔，可靠性也更高。如果使用AD/DA轉(zhuǎn)換復(fù)原，需要單片機(jī)或者FPGA等控制電路的參與，從開發(fā)角度來說，需要比較多的精力。相對于頻壓轉(zhuǎn)換的方法，比較羅嗦，復(fù)原的信號帶寬和AD/DA的帶寬有關(guān)。但選擇合適的芯片和單片機(jī)，如cortex-M0的32位單片機(jī)，40MHz左右，幾塊錢人民幣。配合合適的AD/DA，成本也能控制在30RMB/ch,但效果比IL300要好很多，主要是隔離的線性度可以有個非常好的保證。

飛電容，飛電容我沒試過，但是飛電容也是個思路特殊的隔離方案。相對于其他的隔離方案，首先是不需要隔離電源；其次是電路簡單。飛電容就是將模擬信號作為源，對一個合適的電容進(jìn)行充電，充完電后，將飛電容切換到測量電路一邊，與向飛電容充電的電路完全斷開。電容對測量電路放電。測量電路測量出電容的電壓。即實(shí)現(xiàn)了電壓信號的隔離。這個電路的核心在于，切換電容，并控制切換時間。最好使用繼電器，但普通的繼電器壽命有限，這種玩法肯定就報廢了。要使用濕簧繼電器；濕簧繼電器應(yīng)該不是便宜的東西，這種方法我也沒試過，但是理論上是完全可行的。只不過信號帶寬是小得可憐?？赡苤挥?0Hz吧。

普通的光耦只是使用了特殊的思路，用另外一個光耦做第一個光耦的反饋和補(bǔ)償，如下圖。

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這種方法呢，隔離一般的信號還可以，實(shí)際上大批量應(yīng)用是很難保證一致性和穩(wěn)定性的。只是應(yīng)用于線性度要求非常不高的場合。成本在所有模擬信號隔離方案里應(yīng)該是最低的，可以做到5塊錢/ch以下。

第二部分電源隔離

在給嵌入式系統(tǒng)設(shè)計電源電路，或選用成品電源模塊時，要考慮的重要問題之一就是用隔離還是非隔離的電源方案。在進(jìn)行討論之前，我們先了解下隔離與非隔離的概念，及兩者的主要特點(diǎn)。

一、電源隔離與非隔離的概念

電源的隔離與非隔離，主要是針對開關(guān)電源而言，業(yè)內(nèi)比較通用的看法是：

1、隔離電源：電源的輸入回路和輸出回路之間沒有直接的電氣連接，輸入和輸出之間是絕緣的高阻態(tài)，沒有電流回路。

2、非隔離電源：輸入和輸出之間有直接的電流回路，例如，輸入和輸出之間是共地的。

隔離電源示意圖如圖所示。

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二、隔離電源與非隔離電源的優(yōu)缺點(diǎn)

由上述概念可知，對于常用的電源拓?fù)涠?，非隔離電源主要有：Buck、Boost、Buck-Boost等;而隔離電源主要有各種帶隔離變壓器的反激、正激、半橋、LLC等拓?fù)洹?/span>

結(jié)合常用的隔離與非隔離電源，我們從直觀上就可得出它們的一些優(yōu)缺點(diǎn)，兩者的優(yōu)缺點(diǎn)幾乎是相反的。

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使用隔離或非隔離的電源，需了解實(shí)際項(xiàng)目對電源的需求是怎樣的，但在此之前，可了解下隔離和非隔離電源的主要差別：

1、隔離模塊的可靠性高，但成本高，效率差點(diǎn)。
2、非隔離模塊的結(jié)構(gòu)很簡單，成本低，效率高，安全性能差。

因此，在如下幾個場合，建議用隔離電源：
1、涉及可能觸電的場合，如從電網(wǎng)取電，轉(zhuǎn)成低壓直流的場合，需用隔離的AC-DC電源；
2、串行通信總線通過RS-232、RS-485和控制器局域網(wǎng)(CAN)等物理網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)，這些相互連接的系統(tǒng)每個都配備有自己的電源，而且各系統(tǒng)之間往往間隔較遠(yuǎn)，因此，我們通常需要隔離電源進(jìn)行電氣隔離來確保系統(tǒng)的物理安全，且通過隔離切斷接地回路，來保護(hù)系統(tǒng)免受瞬態(tài)高電壓沖擊，同時減少信號失真；
3、對外的I/O端口，為保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，也建議對I/O端口做電源隔離。

三、隔離與非隔離電源的應(yīng)用場合

通過了解隔離與非隔離電源的優(yōu)缺點(diǎn)可知，它們各有優(yōu)勢，對于一些常用的嵌入式供電選擇，我們已可做成準(zhǔn)確的判斷：

1、系統(tǒng)前級的電源，為提高抗干擾性能，保證可靠性，一般用隔離電源。

2、電路板內(nèi)的IC或部分電路供電，從性價比和體積出發(fā)，優(yōu)先選用非隔離的方案。

3、對安全有要求的場合，如需接市電的AC-DC，或醫(yī)療用的電源，為保證人身的安全，必須用隔離電源，有些場合還必須用加強(qiáng)隔離的電源。

4、對于遠(yuǎn)程工業(yè)通信的供電，為有效降低地電勢差和導(dǎo)線耦合干擾的影響，一般用隔離電源為每個通信節(jié)點(diǎn)單獨(dú)供電。

5、對于采用電池供電，對續(xù)航力要求嚴(yán)苛的場合，采用非隔離供電。

四、抗電強(qiáng)度

電源的隔離耐壓在GB-4943國標(biāo)中又叫抗電強(qiáng)度，這個GB-4943標(biāo)準(zhǔn)就是我們常說的信息類設(shè)備的安全標(biāo)準(zhǔn)，就是為了防止人員受到物理和電氣傷害的國家標(biāo)準(zhǔn)，其中包括避免人受到電擊傷害、物理傷害、爆炸等傷害。如下圖為隔離電源結(jié)構(gòu)圖。

隔離電源結(jié)構(gòu)圖

作為模塊電源的重要指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)中也規(guī)定了隔離耐壓相關(guān)測試方法，簡單的測試時一般采用等電位連接測試，連接示意圖如下：

隔離耐壓測試示意圖

測試方法：

將耐壓計的電壓設(shè)為規(guī)定的耐壓值，電流設(shè)為規(guī)定的漏電流值，時間設(shè)為規(guī)定的測試時間值；

操作耐壓計開始測試，開始加壓，在規(guī)定的測試時間內(nèi)，模塊應(yīng)無擊穿，無飛弧現(xiàn)象。

注意在測試時焊接電源模塊要選取合適的溫度，避免反復(fù)焊接，損壞電源模塊。

五、那么隔離電源與非隔離電源比較有什么的優(yōu)缺點(diǎn)呢?

隔離電源與非隔離電源優(yōu)缺點(diǎn)：

通過了解隔離與非隔離電源的優(yōu)缺點(diǎn)可知，它們各有優(yōu)勢，對于一些常用的嵌入式供電選擇，我們可遵循以下判斷條件：

對安全有要求的場合，如需接市電的AC-DC，或醫(yī)療用的電源，為保證人身的安全，必須用隔離電源，有些場合還必須用加強(qiáng)隔離的電源。

一般場合使用對模塊電源隔離電壓要求不是很高，但是更高的隔離電壓可以保證模塊電源具有更小的漏電流，更高的安全性和可靠性，并且EMC特性也更好一些，因此目前業(yè)界普遍的隔離電壓水平為1500VDC以上。