電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）工業(yè)應(yīng)用里的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，光電逆變器，不間斷電源（UPS）和汽車應(yīng)用里的車載充電器（OBC），牽引逆變器，和直流/直流轉(zhuǎn)換器，都是需要在高電壓和電流水平下運(yùn)行的。這些系統(tǒng)往往會(huì)很容易受到惡劣復(fù)雜工況的影響，如電噪音、振動(dòng)、機(jī)械沖擊、極端溫度、污染物等等。

不管是在汽車應(yīng)用里需要通過(guò)隔離手段將敏感的電子元器件與快速瞬變高壓組件進(jìn)行分隔，還是在工業(yè)應(yīng)用里需要各種方法來(lái)應(yīng)對(duì)高壓浪涌、高接地電位差并保護(hù)共模瞬態(tài)數(shù)據(jù)，隔離在任何高電壓系統(tǒng)中都是首先要考慮且必要的。在這些高壓系統(tǒng)上測(cè)量的反饋信號(hào)通過(guò)隔離放大器或隔離調(diào)制器與低壓控制器進(jìn)行電隔離。

隔離放大器的電隔離實(shí)現(xiàn)

隔離放大器的輸入級(jí)由一個(gè)驅(qū)動(dòng)輸入放大器-ΔΣ調(diào)制器的輸入放大器組成。輸入放大器的增益由內(nèi)部精度電阻器進(jìn)行固定和設(shè)置，ΔΣ調(diào)制器則使用內(nèi)部參考電壓和時(shí)鐘發(fā)生器來(lái)將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字位流。驅(qū)動(dòng)器將通過(guò)隔離屏障傳輸調(diào)制器的輸出。接收到的位流和時(shí)鐘由低壓側(cè)的模擬低通濾波器進(jìn)行同步和處理，并作為模擬輸出信號(hào)呈現(xiàn)。

隔離放大器的差分輸出通常被轉(zhuǎn)換為具有基于運(yùn)放器電路的單端模擬輸出，這種基于運(yùn)算放大器的電路可以消除由接地環(huán)路引起的測(cè)量誤差，還能防止數(shù)據(jù)采集器件遭受遠(yuǎn)程傳感器帶來(lái)的潛在破壞性電壓影響，在多通道應(yīng)用中來(lái)放大低電平信號(hào)很合適。此外，由于不需要附加的隔離電源，帶有內(nèi)部變壓器的隔離放大器還能降低電路成本。

在ΔΣ調(diào)制、斬波穩(wěn)定以及差分輸出等特性下，隔離放大器能提供極好的隔離模式噪聲抑制能力、高增益精密度和穩(wěn)定性。

隔離調(diào)制器的電隔離實(shí)現(xiàn)

隔離調(diào)制器的輸入級(jí)類似于隔離放大器，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)隔離屏障傳輸調(diào)制器的輸出。隔離的數(shù)據(jù)輸出DOUT以更高的頻率提供1和0的數(shù)字位流。該比特流輸出的時(shí)間平均值與模擬輸入電壓成正比。測(cè)量信號(hào)通過(guò)微控制器系列內(nèi)的數(shù)字濾波器進(jìn)行重建。

隔離調(diào)制器的隔離層能有效將輸入和輸出電路隔離開，防止高共模電壓線路上的噪聲電流進(jìn)入本地系統(tǒng)接地干擾或損壞低電壓電路，或者是承受住能夠損壞設(shè)備或傷害人類的高電壓浪涌。在現(xiàn)在需要高精度度電流測(cè)量和電流隔離的電機(jī)/逆變器中，隔離調(diào)制器的出現(xiàn)越來(lái)越多，這一是受益于隔離調(diào)制器的高CMTI，二是隔離調(diào)制器技術(shù)也在不斷優(yōu)化，改善了失調(diào)和增益誤差相關(guān)的性能。

隔離放大器與隔離調(diào)制器的性能比較

比較二者之間的區(qū)別，概括來(lái)說(shuō)，隔離放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)隔離是一種很固定的方案，各種參數(shù)指標(biāo)都很固定，相比之下隔離調(diào)制器的方案就靈活很多，需要根據(jù)具體應(yīng)用做權(quán)衡。

從樣本分辨率來(lái)看，隔離放大器在100kHz的帶寬下分辨率在11bits，而隔離調(diào)制器理論上是可以達(dá)到14bits以上分辨率，不過(guò)這需要分辨率和延遲之間做取舍。說(shuō)到延遲，隔離放大器的延遲是比較固定的，在2-3微秒之間，隔離調(diào)制器的延遲同樣需要在分辨率、帶寬和延遲做權(quán)衡，是可以實(shí)現(xiàn)小于1微秒延遲的。

在精度和漂移性能上，兩種方法都很高，不過(guò)在實(shí)現(xiàn)隔離所需的組件上，隔離放大器的方案需要的組件會(huì)偏多一些，調(diào)制器方案對(duì)其他組件的需求較少。隔離放大器因?yàn)闇y(cè)量的模擬信號(hào)經(jīng)歷了幾次模數(shù)和數(shù)模的轉(zhuǎn)換，所以整體的精度和噪聲水平不可避免地會(huì)下降，這也會(huì)額外增加延遲。而隔離調(diào)制器的方案里測(cè)量到的模擬信號(hào)只進(jìn)行一次模數(shù)轉(zhuǎn)換，在信號(hào)的質(zhì)量上無(wú)疑會(huì)好一些，另外因?yàn)闇p去了從差分到單端階段的轉(zhuǎn)換需要，所需的組件的數(shù)量也減少了。

隔離調(diào)制器如果用更高的過(guò)采樣比，測(cè)量能得到更高的精度和更高的樣本分辨率，相應(yīng)的，信號(hào)帶寬會(huì)變少，同時(shí)延遲會(huì)更高。相反，降低過(guò)采樣比，就能以降低精度和樣本分辨率為代價(jià)大大增加帶寬并減少延遲。

小結(jié)

由于基于隔離調(diào)制器的隔離方案能根據(jù)應(yīng)用權(quán)衡各項(xiàng)指標(biāo)獲得極高的分辨率或是極低的延遲，十分靈活。隨著高壓系統(tǒng)的集成度越來(lái)越高，需要實(shí)現(xiàn)的隔離、保護(hù)功能也越來(lái)越多，對(duì)于隔離方案能實(shí)現(xiàn)的的性能和靈活度要求越來(lái)越高，高性能的電隔離系統(tǒng)開始轉(zhuǎn)向基于隔離調(diào)制器的趨勢(shì)。