隔离技术在嵌入式系统接口中的应用

1 隔离技术的简介及应用场合

　　在许多应用中，数据链路之间需要(甚至是必要的)非直接的(导电)电连接，从而在提供数据的同时避免来自系统某一部分的危险电压(或电流)对其另一部分造成破坏。造成这种破坏性失效的可能是电源质量低劣、接地故障、雷击和浪涌等各种故障。此外，通信节点的间距可能相当大，常常由不同接地区域的AC插座来给这些节点供电，这些接地区域之间的电位差(可能含有DC偏压、50 Hz的AC谐波和各种瞬态噪声分量)也会造成破坏。

　　在工程实际使用中，经常发生通过电缆逻辑接地或屏蔽将这些地线连接在一起的情况，可能形成接地环路，且电流将流入该电缆。接地环路电流会对通信产生严重影响(包括数据恶化、EMI过大、元件损坏)，当电位差足够大时，人体就有遭受电击的可能。为了避免上述破坏，可引入非直接的(导电)电连接(称作"隔离")。进行隔离是为了消除噪声并且防止电流在两通信端之间流动。隔离电路具有相对于其他电路元件极高的阻抗，从而"切断"了由电路路径形成的环路;断开环路后，噪声电压将出现在隔离层上而非接收机或其他敏感组件上。隔离原理如图1所示。

　　一般在两种情况下会采用隔离技术：①有可能存在损坏设备或危害人员的潜在电流浪涌，如医疗上的应用、电机控制、交通户外设备等方面;②存在不同电位的接地回路的互连。这两种情况都是采用隔离来避免电流通过，而允许两点之间有数据或功率传送。隔离普遍应用于包含高压、高速或高精度的通信、长距离通信的场合，常见的有工业输入/输出系统、接口方面、总线、电源、电机控制、仪器仪表等。

　　
2 隔离技术的分类

　　当前有3种通常的隔离技术：光电隔离、变压器隔离(电感隔离)、电容隔离。此外，还有ADI公司的一项专利隔离技术，即磁耦(iCoupler)隔离技术。其中，光电隔离、电容隔离、磁耦隔离都属于数字隔离，而电感隔离通常仅用于电源或模拟隔离器，而非数字隔离器件。

　　光耦合技术是在透明绝缘隔离层(例如空气间隙)上的光传输，完成了电一光电的转换，从而起到输入、输出隔离的作用。光耦合技术的主要优点是，光对外部电子或磁场内在的抗干扰性强，而且光耦合技术允许使用恒定信息传输。光耦合器的不足之处主要体现在速度限制、功耗以及LED老化上。

　　变压器隔离使用变压器线圈来使传输信息通过隔离层，隔离前端的电流变化通过线圈引起隔离另一侧的电流变化。Ac信号(例如以太网)的隔离非常适合于变压器耦合。变压器隔离的优点是速度高，而且可以给隔离端供电;缺点是易受外部磁场(噪声)的干扰且变压器的体积比较大。

　　电容耦合使用不断变化的电场来通过隔离层实现信息传输。电容器极板之间的材料是电介质绝缘体，即隔离层。电容隔离层的优势是效率高，无论在体积、能量转换还是在抗磁场干扰方面均如此。与变压器不同的是，电容耦合的缺点在于无差分信号，并且噪声与信号共用同一条传输通道。这就要求信号频率应远高于可能出现的噪声频率，以便使隔离层电容对信号呈现低阻抗，而对噪声呈现高阻抗。如同电感耦合一样，电容耦合也存在带宽限制。磁耦隔离技术是ADI公司的一项专利隔离技术，它是一种基于芯片尺寸的变压器，而非传统的基于光电耦合器所采用的发光二极管(LED)与光敏三极管结合。采用iCoupler技术的数字隔离器利用平面磁场专利隔离技术，并采用iCoupler变压器专利技术集成变压器驱动和接收电路，同时不再需要驱动LED的外部电路，具有低功耗、高集成度等特点。

　　
3 隔离技术的具体应用

　　3.1 隔离技术在RS485/RS422中的应用

　　RS485/RS422 作为强健的接口标准，采用双绞线电缆连接并具有宽共模电压范围内差分信号传输的低噪声耦合特性，允许在高达10 Mbps的信号传输速率下进行数据交换。尽管该标准已被广泛接受，但是它在实际应用中的一些具体问题并没有得到深入的认识，甚至存在着种种误区(比如接地、隔离及瞬态保护并没有在实际使用中得到正确的应用)，以至于影响到整个系统的性能。在实际应用中，RS485/RS422通信大多采用图2所示的3种方式。

对于图2(a)的设计，远程数据连接通常存在很大的地电位差(GDP)，该电位差到了发送器的输出上就成了共模噪声。如果这种噪声过大，就可能超过接收器的输入共模噪声容限，从而造成器件损坏。图2(b)中的设计方法对高阻型共模干扰有效，由于干扰源内阻大，短接后不会形成很大的接地环路电流，对于通信不会有很大影响。但当共模干扰源内阻较低时，会在接地线上形成较大的环路电流，耦合到数据线中成为共模噪声，影响正常通信。图2(c)实际上是在接地线上加限流电阻限制干扰电流，