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。

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。

 

 

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>