隔离技术如何应对高压系统？

当高压进入系统时，高压的存在会导致明显的电位差，自由流动的直流电流和一些交流信号将不再安全。电气隔离分离电气系统，以防止信号和电源传输，同时防止这些部件产生直流电流和有害的交流电流。要在一个系统中建立可靠的隔离，需要考虑很多因素，隔离的额定值，CMTI，EMI，电气间隙等。

在高压电源系统中，我们必须首先考虑安全性。无论是通过隔离实现汽车应用中敏感电子元件与快速瞬变高压元件之间的安全通信需求越来越明显，还是工业系统中对高压浪涌、大接地电位差、高侧元件通信共模瞬态数据的保护越来越迫切，只有引入设备隔离，才能实现安全可靠的运行。

为什么要引入隔离

当两个设备或电路通信时，直流电流和交流信号通常自由流动。在低压系统中，这种工作模式是安全的。然而，当高压进入系统时，高压的存在会导致明显的电位差，自由流动的直流电流和一些交流信号将不再安全。电气隔离分离电气系统，以防止信号和电源传输，同时防止这些部件产生直流电流和有害的交流电流。

电路之间隔离的引入主要有三个原因。当然，一是满足安全法规，确保安全，防止电流通过人体从高压电位元件流向接地，提高安全性。

第二个原因是为了解决接地电位差，这通常被称为接地电路，这可能导致通信子系统之间的不准确或中断。从一个电路到另一个电路的接地电位的变化会产生电压差。当电流通过接地电路时，如果出现明显的电压差，则会导致数据通信错误。

第三个原因也与接地环路有关，隔离可以用来降低接地环路的噪声，提高电路的抗噪性。50/60Hz环境噪声允许系统捕获不必要的电流信息，隔离可以断开接地回路，以确保信号的完整性。这些都是外部噪声源，但实际上更大的噪声源来自内部，即系统中的瞬态行为。当设备切换工作模式发生瞬态时，信号路径上会产生高转换率的瞬态电压。这种瞬态行为和隔离设备CMTI直接挂钩。

不同等级的高压隔离

要在一个系统中建立可靠的隔离，需要考虑很多因素，隔离的额定值，CMTI，EMI，电气间隙等。根据分配给电气系统的隔离等级，有功能隔离、基本隔离、辅助隔离和增强隔离。

功能隔离只会给系统分配很少的隔离，使系统能够正常运行，但功能隔离不能防止触电。该等级的隔离仅满足设备正常运行的要求。基本隔离具有与最高系统级电压相同的安全等级，在满足系统正常运行的条件下，可提供足够的触电保护。

辅助隔离在基本隔离的基础上增加了额外的独立隔离，主要是为了防止系统在基本隔离发生故障时受损。增强隔离是应用于高压系统的最高商业等级，可以承受更高的电压测试标准和更长的额定寿命。

作为隔离应用中最重要的指标之一，CMTI它反映了ADS8341EB隔离器件在高速瞬变下的可靠运行能力。高性能隔离器件CMTI额定值很容易达到100V/ns，在一些隔离器件的测试中CMTI超过200V/ns也有很多。这与宽带间隙半导体的普及有很大关系。宽带间隙半导体的普及使隔离器件能够达到更高的瞬态电压（dV/dt）边缘速率。

常见的隔离方法

电路隔离分为模拟隔离和数字隔离。模拟隔离在ADC隔离模拟信号提供在输入端之前，然后ADC输入数字化信号，隔离放大器或隔离ADC它通常用于隔离模拟信号。通过隔离数据转换器，模拟隔离可以避免放大器增益误差，调制器可以直接采样和模拟输入信号，可以实现高分辨率的隔离输入。数字隔离是隔离数字输入信号的一种方法。数字隔离实现电气隔离器状态下的数字信号传输，提供电流隔离数字信号路径。

两种隔离中常用的隔离半导体技术是光耦合、电容耦合和磁耦合。每种技术使用不同的绝缘材料，具有不同的介质强度。对于光耦合使用的绝缘材料，电介质强度较低，要实现高级隔离，需要更多的物理分割。基于光耦合的隔离，Broadcom作为行业领头羊，共模抗干扰行业指标为50kV/μs，这在光耦技术下已经非常高了CMTI。光耦总是在CMTI并在扩展性上做出选择。虽然光耦合可以实现高数据速率，但它会牺牲寄生电容，增加功耗，大大降低光耦合CMTI。但是厚绝缘层的耐压优势使得光耦的使用场景也非常稳定。

由于电容可以自然地阻断直流信号，电容隔离技术可以使用更高级的调制方案，基于通过电介质的交流信号传输。作为三种技术中内部绝缘厚度最小的技术，基于二氧化硅的容量耦合比基于聚酰亚胺的磁耦合厚度小近10μm。电容耦合采用薄片电容原理，实现信号隔离传输，使用寿命长，功耗低，传输速率高。唯一的缺点是，在高压系统中，绝缘厚度是有限的，这意味着电容耦合的浪涌保护能力将相对有限。然而，也有多层电容和多层钝化方法来提高高压浪涌上电容耦合的可靠性。

磁性隔离技术在需要高频直流/直流电源转换的应用中具有最大的优势。它可以在大多数应用程序中传输超过数百毫瓦的功率，并且可以发送高频信号并发送高频信号。其他隔离技术无法改善传输延迟和延迟偏差。

小结

在工业和汽车等高压系统的应用中，高等级隔离可以保护低压电路免受高压故障的影响，中断接地电路，保持信号完整性，从而实现不同电压领域之间的通信。随着高压系统电源管理的集成度越来越高，需要实现越来越多的隔离和保护功能，不同技术的隔离器件越来越小IC封装尺寸，集成度更高，集成度更低EMI需要在更高效率的需求之间进行权衡。


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