信号隔离基础知识
隔离信号对于提供以下设计关键功能是必要的：
防止高电压： 隔离提供了介电屏障，在需要更高功率水平的系统中充当高电压的绝缘体。
电平转换： 在不同电压轨下运行的电路之间实现无噪声数据传输是电子设计人员面临的常见挑战。尽管有许多非隔离电平转换器可以解决这个问题，但使用隔离器具有几个明显的优势。隔离器是无噪声、稳健的解决方案，它们可以防止可能无意中打开或关闭设备的寄生路径。
噪声消除： 隔离产品将电路的接地电流（返回路径）限制在屏障的一侧，从而为另一侧的敏感测量提供无噪声环境。
系统注意事项
为了确保实现有效隔离，设计人员必须消除从一个电路（图 1 中的电路 A）到另一需要隔离的电路（图 1 中的电路 B）的所有可能的耦合路径。因此，在隔离信号时，隔离电源同样重要。对于电路设计人员来说，隔离信号面临双重挑战：提供安全、可靠和准确的信号隔离以及电源隔离。有多种信号隔离解决方案可满足设计人员基于数据速率能力、抖动限制、抗噪声问题、高电压能力以及遵守各种隔离组件安全标准的需求。然而，对于许多仅需要一瓦左右隔离功率的应用来说，很少有易于实施的电源隔离解决方案可用。
图 1：许多设计都需要隔离信号和电源
应用实例
工厂自动化系统依靠高效可靠的实时分布式网络来监视和控制复杂的制造过程。图 2 显示了这些系统中使用的典型简化层次结构。工厂控制室中的人机界面 (HMI) 连接到中间控制器层，也连接到物理层，其中传感器和执行器作为电机驱动单元或由可编程逻辑控制器 (PLC) 控制的机器的一部分。
需要隔离的工厂自动化系统示例
图 2：需要隔离的工厂自动化系统示例
物理层连接过程模块中以及整个工厂车间或工厂的传感器和执行器。如图 2 所示，基于 CAN 的总线与各种电机控制单元进行通信，而基于 RS-485 的总线 (PROFIBUS) 与工厂车间的各种机器进行通信。这些物理层通常用于工业自动化，因为即使在嘈杂的环境中它们也非常坚固，并且支持可能覆盖数百平方米的工厂车间所需的长距离、多点通信。这些总线有多个节点，通过 CAN 或 RS-485 收发器连接到总线。隔离这些接口对于防止网络内的高电压、高电磁 (EM) 噪声和大接地电位差至关重要。
图 3 显示了与处理器隔离的 RS-485 收发器节点的详细框图。设计人员经常必须使用多个分立组件从头开始设计自己的解决方案，为隔离器的次级侧和隔离侧的 RS-485 收发器提供隔离电源。
图 3 中的收发器是一个半双工设备，接收线和发送线连接在一起。它通过图 3 中标记为 A 和 B 的差分 I/O 与 RS-485 总线进行通信。收发器通过其标记为 Rx（接收器）和 Tx（发送器）的单端数字 I/O 以及一个EN（使能引脚）信号控制发射器。
收发器通常具有两到四个数字信号，需要快速、准确的数字隔离以及 0.5 W 到 1 W 的功率。该电源必须由具有以下特性的专用隔离电源提供：
紧凑型解决方案：根据特定应用，空间可能非常宝贵。一般来说，较小的物料清单 (BOM) 对于可制造性、可靠性和成本来说总是更好。
高效率：拥有高效的紧凑解决方案对于限度地减少热量并保持绿色能源标准非常重要。
低 EMI：将整个系统噪声保持在限度对于敏感测量至关重要。为了根据特定用例微调发射频谱，有一个可编程频率选项，让开发人员可以选择 DC-DC 转换器的开关频率。
安全特性：在安全性是首要考虑的工业环境中，建议设备具有软启动选项以避免浪涌电流、限流功能以及热检测和在过热情况下自动关闭。
多个隔离通道：隔离电源解决方案必须支持具有至少 2.5 kV rms 额定隔离能力的多个隔离通道，以满足安全标准。即使在嘈杂的环境中，隔离器也必须具有出色的信号完整性。
电源和信号隔离解决方案
目前只有少数隔离产品能够在紧凑性和供电能力之间取得适当的平衡，同时限度地减少排放和限度地提高效率。
图 3 显示了一种分立解决方案，该解决方案使用场效应晶体管 (FET) 电源开关、脉宽调制 (PWM) 控制器、误差放大器和用于反馈的光耦合器以及用于电源隔离的其他支持 BOM。此类解决方案非常常见，但是，这些解决方案必须从头开始设计，需要专门的经验和技能，并且可能需要多次迭代才能正确。
隔离 RS-485 收发器
图 3：隔离 RS-485 收发器
一些解决方案将数字隔离和电源变压器集成到单个 IC 封装中。这些空芯变压器的耦合系数较差，必须以更高的频率驱动才能提供等效功率。这种方法会产生更高的电磁干扰 (EMI) 发射曲线，这给许多设计人员带来了障碍。此外，此类解决方案的电源转换器效率通常较低，为 10-35%。在空间非常宝贵、“不关心”效率且高排放不是问题的应用中，这些解决方案可能会起作用。但大多数情况下，这样的解决方案并不实用。
具有集成 DC-DC 转换器的高速数字隔离器
图 4：具有集成 DC-DC 转换器的高速数字隔离器
现在还有其他解决方案集成了信号隔离器和 DC-DC 转换器，并设计为与分立变压器配合使用。这些紧凑型单芯片解决方案针对效率和集成度进行了优化，可提供高达 2 W 的功率，效率约为 78%。
例如，Silicon Labs 的 Si88xx 隔离产品将四通道数字隔离器与改进的反激式拓扑 DC-DC 转换器（具有内置次级传感反馈控制）相结合。 Si88xx 器件采用抖动技术，旨在实现极低的排放。其他功能包括软启动功能，以避免启动时出现浪涌电流、逐周期电流限制、过热事件的热检测和关断，以及用于减少开关损耗的周期跳跃，从而提高轻负载时的效率。
Si88xx 隔离器选项可用于 5 V 至 24 V 的各种电压电平以及数字隔离通道及其方向性的各种组合。该解决方案利用 Silicon Labs 专有的信号隔离技术及其标志性的低 EMI 特性，提供高集成度、高效率和极低的 EMI。
用于隔离 RS-485 接口的 Si88xx 解决方案
图 5：用于隔离 RS-485 接口的 Si88xx 解决方案
图 4 提供了 Si88xx 隔离器的简化框图。除了四个高速数字隔离通道外，Si88xx 器件还集成了 DC-DC 控制器和内部 FET 开关，可调节外部变压器的功率。输出侧通过外部电阻分压器纳入反馈，以提供出色的线路和负载调节。 DC-DC 转换器使用抖动技术来化 EMI 峰值，并使用零电压开关 (ZVS) 方案来地减少调制变压器功率时的功率损耗。该器件在轻负载时使用周期跳跃来限度地减少开关损耗并提高效率。多种安全功能包括逐周期电流限制、避免浪涌电流的软启动和热关断。该器件还集成了多种用户可编程功能，例如软启动时间控制、DC-DC 转换器的关断选项以及用于微调 EMI 曲线的开关频率控制。
