一文带你了解隔离器件

1. 隔离技术的介绍

        『电流隔离是一种电路设计技术，允许两个电路进行通信，可消除在它们之间流动的任何不需要的直流电。确保数据传输不是通过电气连接或泄漏路径，从而避免安全风险。隔离器件的主要功能有：① 保护操作人员和低压电路免受高电压影响。② 防止通信子系统之间的地电位差。③ 改善抗噪性能。一般来说，涉及到高电压（强电）和低电压（弱电）之间信号传输的设备大都需要进行电气隔离并通过安规认证。

        隔离技术三个要素是：绝缘材料、结构和数据传输方法。然而，隔离会带来延迟、功耗、成本和尺寸等方面的限制。

2. 隔离器件的分类

        根据器件信号传输方式的不同，可将隔离器件分为光耦隔离和数字隔离，其中数字隔离又可进一步分为磁耦隔离和容耦隔离。

• 光耦隔离

        光耦隔离对材料透光性的要求，使得多选用空气（Air）和环氧树脂（Epoxies）作为绝缘材料。光耦隔离是使用 LED 发出的光将数据传输到隔离栅的另一端。光耦隔离通过电到光到电的形式进行信号传输。当 LED 点亮时表示逻辑高电平，熄灭时表示逻辑低电平。这使得光耦隔离的静态电流、数据传输延迟、CMTI 等性能都会较差。下图是其电路结构示意图：

• 磁耦隔离

        磁耦隔离多选用聚酰亚胺（Polymide）作为绝缘材料。磁耦隔离是变压器电流脉冲通过一个线圈，形成一个很小的局部磁场，从而在另一个线圈生成感应电流。磁耦隔离常用的数据传输方式是将上升沿和下降沿编码为双脉冲或单脉冲，这些脉冲在副边解码为上升沿或下降沿。磁耦隔离的功耗会与数据速率成线性关系。由于无需连续供电，故其功耗比光耦隔离低 10 倍到 100 倍。但电磁感应的原理使得磁耦隔离在不佳的电磁工作环境中出现噪声干扰的可能性更大。下图是其电路结构示意图：

• 容耦隔离

        容耦隔离选用绝缘强度最优的二氧化硅（SiO2）材料。容耦隔离是利用低电流电场将数据耦合到隔离栅的另一端。容耦隔离采用高频信号调制解调将输入信号通过电容隔离之后传输出去，其抗干扰性更强。例如有 on-off keying（OOK）调制方式，发送器发送一个高频信号代表一种数字状态，不发送信号代表另一种数字状态，经过信号调理后通过缓冲器发出。容耦隔离的功耗基本不随传输数据速率的变化而改变。下图是其电路结构示意图：

3. 隔离器件的关键特征

• 隔离耐压（V_ISO）：通常由系统的安规要求设置，代表隔离器件可坚持至少 60 秒不被电压击穿。
• 工作电压（V_IOWM）：隔离器件在产品使用寿命内需要承受的恒定电压。
• 最大浪涌隔离电压（V_IOSM）：隔离器件可以处理的 2us / 50us 标准浪涌波形的最大峰值电压。增强隔离最低要求 10kV。
• Clearance 是两侧引脚通过空气的最短距离，Creepage 是两侧引脚通过隔离材料表面的最短距离，DTI (Distance Through Insulation)是通过导电体之间的隔离填充材料的最短距离。可以说，DTI 指的是内部距离，Creepage 和 Clearance 指的是外部距离。

• 爬电距离 / 电气间隙：如果系统中有更短通路，那么这个更短距离才是这个电路的隔离器件爬电距离。
• 共模瞬变抗扰度（CMTI）：隔离器件在无误码情况下所能承受的最大地电位差变化率（GND1-GND2），表明隔离器对地面噪声的鲁棒性。对于电机驱动或太阳能逆变器等嘈杂的环境中，对 CMTI 的性能则要求更高，因为在这些环境中数据完整性至关重要，任何位错误都可能导致危险的短路事件。

        另外在选型隔离器件，还需要考虑功耗、数据速率、封装、通道数等。』（作者：Tan, Yuan；出處：https://e2echina.ti.com/blogs_/b/analogwire/posts/53409?keyMatch=%E9%9A%94%E7%A6%BB%E5%99%A8%E8%AF%B4%E6%98%8E）

4. 隔离器件的应用

        『在 BMS 产品上经常看到各种隔离器件，例如电摩、商用三轮车和低速四轮车等 60V ~ 72V 系统，一般会用两个 AFE 级联，目前大部分的工业级 AFE 不支持菊花链，因此高边 AFE 会使用隔离 I2C 和 MCU 进行通信。另外，最新的电摩 BMS 标准中要求使用 CAN 通信，通信速率需达到 500 kbps。下图是电摩 BMS 系统框图：

        纳芯微推出的 NSi1050隔离 CAN 收发器的传输速率可达 1 Mbps，远高于电摩 BMS 标准的要求。』（作者：Novosense；出處：https://www.novosns.com/technical-articles-139）而纳芯微采用的技术则为容耦隔离技术。下图是 NSi1050 的参考原理图：

5. 参考资料

        【1】关于隔离器件，你需要知道的三件事：https://e2echina.ti.com/blogs_/b/analogwire/posts/53409?keyMatch=%E9%9A%94%E7%A6%BB%E5%99%A8%E8%AF%B4%E6%98%8E

        【2】如何选择数字隔离器？这些知识你必须知道！：https://zhuanlan.zhihu.com/p/336175737

        【3】工业BMS系统中的隔离方案：https://www.novosns.com/technical-articles-139

        【4】NSi1050 Datasheet，Novosense.