智能家居设备越来越受到许多采用智能恒温器、照明系统、安全系统和家庭娱乐系统的家庭的欢迎。这些设备提供家庭功能的自动化和无线控制，允许用户通过移动应用程序或数字界面监控和控制他们的家庭。
但尽管智能家居设备具有诸多优势，但用户也面临着更大的电气故障风险，可能导致触电、火灾或设备直接损坏。本文讨论了在智能家居设备中集成数字隔离器以确保安全性和可靠性的重要性。
数字隔离器的定义
数字隔离器是一种电子设备，可在两个电路之间提供电气隔离，同时允许数字信号在电路之间通过。通过使用电磁或电容耦合，数字隔离器可以跨隔离栅传输数据，而无需直接电气连接。
数字隔离器通常用于需要电气隔离以保护敏感电路免受高电压、噪声或其他危险影响的应用中。它们可用于电源、电机控制、医疗设备、工业自动化以及其他安全性和可靠性至关重要的应用。图 1显示了电容隔离图。
图 1电容隔离图包括顶部电极、底部电极和焊线。资料来源：Monolithic Power Systems
了解隔离等级
选择数字隔离器时，所需的隔离电压是一个重要的考虑因素，因为它会影响总解决方案成本。隔离器通常具有两种隔离类别之一：基本隔离或增强隔离。
基本隔离：提供足够的绝缘材料来保护人员或设备免受电气伤害；然而，如果隔离屏障被破坏，电气故障的风险仍然存在。有些设备使用两层基本隔离作为层损坏时的保护措施；这称为双重隔离。
强化隔离：相当于双重基本隔离，通过加强隔离屏障来实现，与基本隔离相比，减少屏障被破坏的机会。
图 2显示了三种隔离类型：基本隔离、双重隔离和增强隔离。
图2三种隔离类型分别是基本隔离、双重隔离和增强隔离。资料来源：Monolithic Power Systems
这里，爬电距离是隔离屏障相对侧上的两个导电元件之间的短距离，并且是沿着隔离表面测量的。间隙距离是一个常见参数，与爬电距离类似，但是沿着穿过空气的直接路径测量的。
因此，爬电距离始终等于或大于间隙距离，但两者都严重依赖于 IC 的封装结构。引脚间距离和体宽等参数与隔离组件的隔离电压有很强的相关性。更宽的引脚间距和封装具有更大的隔离电压，但它们也会占用更多的电路板空间并增加总体系统成本。
根据系统设计和隔离电压要求，可以提供不同的隔离额定值，通常与封装类型相对应。小外形集成电路 (SOIC) 封装通常具有 1.27mm 引脚间距，并提供窄体（3.9mm 封装宽度）或宽体（7.5mm 封装宽度）格式。
宽体封装通常用于满足增强型 5kV RMS要求，而窄体封装则用于耐受隔离电压为 3kV RMS的应用。在某些情况下，某些 800V+ 系统会使用爬电距离 >14.5mm 的超宽体封装，以满足爬电距离和间隙要求。
图 3显示了 SOIC 封装中的间隙和爬电距离。
图 3 SOIC 封装中使用不同的间隙和爬电距离来满足设计要求。资料来源：Monolithic Power Systems
数字隔离器的安全法规
UL 1577、VDE、CSA 和 CQC 等安全在确保各种电子系统中数字隔离器的可靠性和安全性方面发挥着关键作用。这些描述如下：
UL 1577：该由 Underwriters Laboratories 制定，制定了严格的标准来评估数字隔离器的绝缘和隔离性能。检查电压隔离、泄漏电流和绝缘电阻等因素，以确保符合安全要求。
VDE：该在欧洲得到主要认可，通过严格的测试方法验证电气产品（包括数字隔离器）的质量和安全性。 VDE 表明隔离器符合规定的安全标准并符合欧洲安全标准，确保其在各种应用中的可靠性和功能性。
加拿大标准协会 (CSA)：该保证数字隔离器遵守加拿大安全法规和标准，确保其在加拿大各地部署的电子系统中的可靠性和安全性。
中国质量 (CQC)：中国质量 GB 4943.1-2022 强调音频/视频、信息和通信技术设备的合格评定和质量控制。
这些共同让制造商、工程师和消费者相信数字隔离器已经过全面测试并符合严格的安全措施，有助于市场上使用的电子设备和系统的整体安全性和可靠性。
数字隔离器与光耦合器的特点
传统上，数字信号的隔离传输是使用光耦合器进行的。这些设备利用 LED 和光敏设备（通常是光电晶体管）利用光通过隔离屏障传输信号。隔离屏障一侧的信号可打开和关闭 LED。
当 LED 发射的光子撞击光电晶体管的基极集电极结时，基极中会形成电流，并被晶体管的电流增益放大，从而在隔离势垒的另一侧传输相同的数字信号。
数字隔离器提供四个关键功能，使其比智能家居设备中的光耦合器更好：
低功耗：数字隔离器不需要提供光源，而是使用更高效的通道来传输信号。这使得数字隔离器成为智能恒温器和安全传感器等电池供电设备的理想选择。
高速数据传输：光电晶体管的响应时间较长，这限制了光隔离器的带宽。另一方面，数字隔离器可以更快地传输信号，从而实现智能家居设备和控制系统之间快速可靠的通信。
低电磁干扰 (EMI)：EMI 会干扰家中的电子设备。通过采用电容隔离技术，数字隔离器更能抵抗 EMI。
宽工作温度范围：这使得数字隔离器适用于各种恶劣环境，包括户外应用。
数字隔离的类型
可以实现两种类型的数字隔离：磁隔离和电容隔离。磁隔离依靠变压器来传输信号，而电容隔离则使用电容器在隔离器上传输信号，从而形成电气屏障。该屏障可防止直流电流流动并在输入和输出电路之间提供隔离。
由于具有多种优点，电容隔离是常用的方法。
更高的数据速率：与磁隔离相比，电容隔离的更高数据速率可用于需要快速、可靠通信的应用。
功耗更低：与磁隔离或光隔离相比，电容隔离通常消耗更少的功耗，使其成为电池供电设备更节能的选择。
尺寸更小：电容隔离器通常比磁隔离器或光隔离器更小，这使得它们更容易集成到小型电子设备中。
成本更低：电容隔离器通常比光学隔离器便宜，光学隔离器依赖昂贵的光电元件，如 LED 和光电二极管。
更高的抗 EMI 能力：与磁隔离相比，电容隔离不易受 EMI 影响，因此在噪声环境中电容隔离是更可靠的选择。
图 4显示了传统光学隔离与磁隔离和电容隔离的比较。
图 4电容隔离提供了优于光学隔离和磁隔离的关键优势。资料来源：Monolithic Power Systems
使用的数字隔离类型取决于应用规范，例如所需的数据速率、温度范围或环境中的电噪声水平。图 5显示了智能冰箱的框图，它需要三个数字隔离器。
图 5需要三个数字隔离器的智能冰箱的框图。资料来源：Monolithic Power Systems
数字隔离器在智能家居设备中的应用
在控制系统和设备电路之间提供电气隔离对于确保用户安全以及保护智能家居设备免受外部干扰或黑客攻击至关重要。集成数字隔离器的智能家居设备的一些示例包括智能照明系统、智能安全系统、智能恒温器和智能家庭娱乐系统，下面将进一步详细描述。
智能照明系统
在智能照明系统中，数字隔离器在控制系统和高压照明电路之间提供隔离。这可以防止用户接触高压电信号。
智能安防系统
在智能家居安全系统中，数字隔离器在控制系统和传感器或摄像头之间提供隔离。将敏感控制电路与外界隔离可以解决外部干扰安全系统的问题。
智能恒温器
在智能恒温器中，数字隔离器在控制系统与加热或冷却电路之间提供隔离。这可以地减少加热或冷却电路中的高电压或高电流信号对控制系统的损坏。
智能家庭娱乐系统
在智能扬声器等智能家庭娱乐系统中，数字隔离器在控制系统与音频或视频电路之间提供隔离。这样可以防止音频或视频信号中的干扰或噪声，从而实现高质量播放。
