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信號(hào)隔離與電源隔離的知識(shí)點(diǎn)詳解

發(fā)布時(shí)間:2021-02-27 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】模擬信號(hào)的隔離是非常頭疼的,有時(shí)候不得不需要隔離。隔離數(shù)字信號(hào)的辦法很多,隔離模擬信號(hào)的辦法卻沒(méi)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(cè)量的場(chǎng)合,模擬信號(hào)的隔離,成本高得更加是離譜的無(wú)法想象。
    
第一部分  信號(hào)隔離
 
模擬信號(hào)的隔離是非常頭疼的,有時(shí)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(hào)的辦法很多,隔離模擬信號(hào)的辦法卻沒(méi)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(cè)量的場(chǎng)合,模擬信號(hào)的隔離,成本高得更加是離譜的無(wú)法想象。我從事這種系統(tǒng)開(kāi)發(fā)多年,對(duì)自己所知道的隔離方法做個(gè)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(hào),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(hào)的隔離,對(duì)于雙向數(shù)字信號(hào),需要兩個(gè)隔離單元來(lái)實(shí)現(xiàn),體積非常的驚人;很難減小體積。相對(duì)于速度很成本,如果速度小于100KHz以下,個(gè)人推薦用Ps2501這樣的常用光耦隔離數(shù)字信號(hào),很好的性價(jià)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(hào)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(jià)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(jià)格在$0.7,算下來(lái)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(méi)有性價(jià)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(gòu)量。但ADuM系列的磁隔離芯片的尺寸小很多很多,價(jià)格相比也很有優(yōu)勢(shì)。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(gè)是個(gè)很頭疼的問(wèn)題。如果只是隔離干擾源,自然沒(méi)問(wèn)題,如果是隔離高電壓,那么要仔細(xì)考量一下設(shè)計(jì)了。
 
自己用隔離變壓器來(lái)隔離的辦法,一般人是用不到的,因?yàn)橥耆珱](méi)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(dòng),需要隔離非常大的電壓,超過(guò)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(hào)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(hào)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(guò)隔離的朋友都知道。如以前的TIL300,不過(guò)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(hào)的線性隔離,是個(gè)不錯(cuò)的選擇。(我就不上傳圖了),一般來(lái)講,線性光耦需要兩個(gè)運(yùn)放和一些高精度電阻組成合適的電路才能完成信號(hào)的隔離。也只是單向隔離。IL300的價(jià)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(gè)比較好的運(yùn)放,所以整個(gè)隔離下來(lái)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(cè)上寫著可以到0.01%的伺服精度。實(shí)際上,因?yàn)闇囟鹊挠绊?,線性度在+/-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(duì)于大多數(shù)場(chǎng)合都是可以的;
 
隔離放大器,這個(gè)是個(gè)終極的寶貝啊,有很多廠家都有,中國(guó)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(hào)稱是全球價(jià)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(guò)0.1%,都能達(dá)到0.01%;但價(jià)格的話至少都在40RMB/Ch,ADI的就更加離譜了,大概能到40dollar/Ch,對(duì)于做一般工業(yè)產(chǎn)品的制造商來(lái)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(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)然后再隔離數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)再?gòu)?fù)原成模擬信號(hào),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(hào)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(jiǎn)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(kāi)發(fā)角度來(lái)說(shuō),需要比較多的精力。相對(duì)于頻壓轉(zhuǎn)換的方法,比較羅嗦,復(fù)原的信號(hào)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(gè)非常好的保證。
 
飛電容,飛電容我沒(méi)試過(guò),但是飛電容也是個(gè)思路特殊的隔離方案。相對(duì)于其他的隔離方案,首先是不需要隔離電源;其次是電路簡(jiǎn)單。飛電容就是將模擬信號(hào)作為源,對(duì)一個(gè)合適的電容進(jìn)行充電,充完電后,將飛電容切換到測(cè)量電路一邊,與向飛電容充電的電路完全斷開(kāi)。電容對(duì)測(cè)量電路放電。測(cè)量電路測(cè)量出電容的電壓。即實(shí)現(xiàn)了電壓信號(hào)的隔離。這個(gè)電路的核心在于,切換電容,并控制切換時(shí)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(bào)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(méi)試過(guò),但是理論上是完全可行的。只不過(guò)信號(hào)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(gè)光耦做第一個(gè)光耦的反饋和補(bǔ)償,如下圖。
  
信號(hào)隔離與電源隔離的知識(shí)點(diǎn)詳解
 
這種方法呢,隔離一般的信號(hào)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(chǎng)合。成本在所有模擬信號(hào)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(jì)電源電路,或選用成品電源模塊時(shí),要考慮的重要問(wèn)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(duì)開(kāi)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(méi)有直接的電氣連接,輸入和輸出之間是絕緣的高阻態(tài),沒(méi)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。
 
信號(hào)隔離與電源隔離的知識(shí)點(diǎn)詳解
 
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(duì)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?/div>
 
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。
 
信號(hào)隔離與電源隔離的知識(shí)點(diǎn)詳解
 
信號(hào)隔離與電源隔離的知識(shí)點(diǎn)詳解
 
使用隔離或非隔離的電源,需了解實(shí)際項(xiàng)目對(duì)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(jiǎn)單,成本低,效率高,安全性能差。
 
因此,在如下幾個(gè)場(chǎng)合,建議用隔離電源:
1、涉及可能觸電的場(chǎng)合,如從電網(wǎng)取電,轉(zhuǎn)成低壓直流的場(chǎng)合,需用隔離的AC-DC電源;
2、串行通信總線通過(guò)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(gè)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(lái)確保系統(tǒng)的物理安全,且通過(guò)隔離切斷接地回路,來(lái)保護(hù)系統(tǒng)免受瞬態(tài)高電壓沖擊,同時(shí)減少信號(hào)失真;
 3、對(duì)外的I/O端口,為保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,也建議對(duì)I/O端口做電源隔離。
 
三、隔離與非隔離電源的應(yīng)用場(chǎng)合
 
通過(guò)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(shì),對(duì)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(jí)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(jià)比和體積出發(fā),優(yōu)先選用非隔離的方案。
3、 對(duì)安全有要求的場(chǎng)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(chǎng)合還必須用加強(qiáng)隔離的電源。
4、 對(duì)于遠(yuǎn)程工業(yè)通信的供電,為有效降低地電勢(shì)差和導(dǎo)線耦合干擾的影響,一般用隔離電源為每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)單獨(dú)供電。
5、 對(duì)于采用電池供電,對(duì)續(xù)航力要求嚴(yán)苛的場(chǎng)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(guó)標(biāo)中又叫抗電強(qiáng)度,這個(gè)GB-4943標(biāo)準(zhǔn)就是我們常說(shuō)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(guó)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。
 
信號(hào)隔離與電源隔離的知識(shí)點(diǎn)詳解
 
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(cè)試方法,簡(jiǎn)單的測(cè)試時(shí)一般采用等電位連接測(cè)試,連接示意圖如下:
 
信號(hào)隔離與電源隔離的知識(shí)點(diǎn)詳解
 
隔離耐壓測(cè)試示意圖
測(cè)試方法:
將耐壓計(jì)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(shí)間設(shè)為規(guī)定的測(cè)試時(shí)間值;
操作耐壓計(jì)開(kāi)始測(cè)試,開(kāi)始加壓,在規(guī)定的測(cè)試時(shí)間內(nèi),模塊應(yīng)無(wú)擊穿,無(wú)飛弧現(xiàn)象。
注意在測(cè)試時(shí)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)
 
信號(hào)隔離與電源隔離的知識(shí)點(diǎn)詳解
 
通過(guò)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(shì),對(duì)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(duì)安全有要求的場(chǎng)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(chǎng)合還必須用加強(qiáng)隔離的電源。
 
一般場(chǎng)合使用對(duì)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。
 
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