在电路设计领域,隔离芯片扮演着至关重要的角色。接下来,我们将深入探讨隔离芯片的工作原理以及在电路设计时需要注意的事项。
一、什么是隔离芯片

如上图所示,这是某一款数字隔离器的引脚分布。“隔离” 的意义在于将两端的电气特性分隔开来,阻断电流的流通路径,仅保留信号的连接。图中的隔离芯片具备三个正向通道和一个反向通道,信号从红色箭头方向流入,再从蓝色箭头方向流出。
简单来讲,隔离芯片就如同一个 “安全门”。它允许诸如控制指令、数据等应该通过的信号顺利通过,同时将危险的电流、电压以及干扰信号阻挡在外,以此保护电路中较为 “娇贵” 的器件。例如,当我们将前端采集的模拟信号通过 ADC 转化为数字信号后,在 ADC 和 FPGA 之间添加一个数字隔离器,就能有效保护 FPGA。
二、隔离芯片的原理
起初接触隔离芯片时,很多人可能会感到困惑,因为隔离芯片能够阻断两端的电气连接,却又能让信号从一端传递到另一端,这看似矛盾。实际上,这正是隔离芯片的技术所在。两端没有电气连接,是因为它们并非通过直接的导线相连,而是借助光耦、磁耦、电容耦合来实现信号传递。
(1)光耦

光耦由光发器件和光敏原件构成。左边的光发器件负责将输入信号转化为光信号,该光信号输入到光敏元件后,又会被恢复为电信号。简单概括,光耦的作用就是实现电信号→光信号→电信号的转换。
(2)磁耦

磁耦利用变压器原理,将输入的信号脉冲转化为局部磁场。磁场的变化会引发右侧线圈的电流变化,从而实现电信号→磁场信号→电信号的转换。
(3)电容隔离

首先,输入信号会被调制成高频载波,通过电容器的电场变化将信号从一端传递到另一端,之后再对信号进行解调,即可恢复原始信号。
三、电路设计时需要注意的点
(1)注意方向
隔离芯片的通道有的是单向的,有的是双向的,具体情况需要参考芯片手册。单向通道只允许信号单向传递,如果信号的传输顺序接反,信号将无法正常传输。
(2)注意电源引脚的设计
数字隔离器的电源引脚通常左右两侧各有一个,这两个电压必须相互隔离,需要单独配备一个隔离 DC - DC。而且,每一侧的电压值大小决定了信号的电压值大小,这一点需要特别注意。例如,若左边的引脚连接在 FPGA 上,而 FPGA 的 IO 口为 3.3V,那么左边的电压值也应该设定为 3.3V。如果将电压改为 5V,FPGA 可能会被烧毁。