信号隔离

DSP控制母板之信号隔离学习小结

数字信号隔离：

1.光耦

2.ADI的磁隔离芯片

3.自己用变压器隔离

隔离的数字信号频率在200KHz以上，换高速数字光耦，价格成本上去了，不划算，可采用ADI的磁隔离芯片。唯一美中不足的是磁隔离芯片的隔离电压只能到1000V 左右。

变压器隔离一般人用不到，因为完全没有经济效益，它只有一点好处，就是隔离电压可以做得非常高，一般只有变频器、逆变器IGBT的驱动，需要隔离非常大的电压，超过5000V才使用。

光电耦合器（光耦），是一种把发光元件和光敏元件封装在同一壳体内，中间

通过电-光-电的转换来传输电信号的半导体光电子器件。当输入端加信号时发光器发

出光线，受光器接受光线之后产生光电流，从输出端流出，从而实现“电-光-电”转换。

光耦的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输

出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦合器是在70年代发展起来的新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、

级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲

放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器、仪器仪表、通信设

备及微机接口中。

光耦分为两种：一种为非线性光耦，另一种为线性光耦。非线性光耦的电流传

输特性曲线是非线性的，这类光耦适合于开关信号的传输，不适合于传输模拟量。常

用的4N系列光耦属于非线性光耦。线性光耦的电流传输曲线接近直线，并且小信号时

性能较好，能以线性特性进行隔离控制，常用的线性光耦是PC817A-C系列。

光耦常见技术参数：

1.正向工作电压VF（Forward Voltage）

二极管通过的正向电流为规定值时，正负极之间所产生的电压降。

2.正向电流IF

在被测管两端加一定的正向电压时二极管中流过的电流

3.反向电压VBR（Reverse Breakdown Voltage）

被测管通过的反向电流IR为规定值时，在两级间产生的电压降

4.反向击穿电压V(BR)CEO

发光二极管开路，集电极电流IC为规定值，集电极与发射极间的电压降

5.输出饱和压降VCE（sat）

发光二极管工作电流IF和集电极电流IC为规定值时，并保持IC/IF≤

CTRmin(电流传输比)集电极与发射极之间的电压降。

6.电流传输比CTR

输出管的工作电压为规定值时，输出电流与发光二极管正向电流之比为电流传输比CTR。

7.TR-脉冲上升时间、TF-下降时间：光耦在规定工作条件下，发光二极管输

入规定电流IFP的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从输出脉冲前

沿幅度的10%到90%，所需时间为脉冲上升时间tr。从输出脉冲后沿幅度的

90%到10%，所需时间为脉冲下降时间tf。

8.tPHL、tPLH——传输延迟时间：光耦合器在规定工作条件下，发光二极管

输入规定电流IFP的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从输入脉冲

前沿幅度的50%到输出脉冲电平下降到1.5V时所需时间为传输延迟时间

tPHL。从输入脉冲后沿幅度的50%到输出脉冲电平上升到1.5V时所需时间

为传输延迟时间tPLH。

9.CIO——入出间隔离电容：光耦合器件输入端和输出端之间的电容值。

10.RIO——入出间隔离电阻：半导体光耦合器输入端和输出端之间的绝缘电阻

值。

11.VIO——入出间隔离电压：光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值。

光耦在使用中需要考虑以下几个问题：

1、光耦直接用于隔离传输模拟量时，要考虑光耦的非线性问题

2、光耦隔离传输数字量时，要考虑光耦的响应速度问题

3、如果输出有功率要求的话，还得考虑光耦的功率接口设计问题

如上图所示电路，HCPL是双通道的高速高共模抑制比的光耦，其中，VIN1为12~24V供电，IN1.0和IN1.1为控制光耦导通截止的输入端，此电路输入可将24V信号转换为3.3V和DSP连接，其中R1起限流作用，当IN1.0为0V时，则光耦第一个通道导通，Vo2输出为0V当IN1.0为对应VIN1的12~24V时，则光耦第一通道截止，光耦输出为3.3V，从而实现电平转换。R2和V1起指示作用，当光耦导通时，则V1亮，截止时则熄灭，V21的二极管起钳位作用，保证光耦的发光二极管之间的反向压降是一个二极管的压降，保护光耦不被击穿，C1是滤波电容，防止信号干扰时，光耦误导通导致错误，另一通道同上所述。

模拟信号的隔离：

1.线性光耦

2.隔离放大器

3.频压转换和压频转换+数字隔离

4.飞电容

5.采用DA/AD+数字隔离的方法实现模拟信号的采样复原，进而实现隔离的办法

6.普通光耦实现线性隔离

线性光耦隔离作为一般信号的线性隔离是不错的选择，一般来讲，线性光耦需要两个运放和一些高精密电阻组成合适的电路才能完成信号的隔离，也只是单向隔离。

这种方式线性度并不理想，大多数场合都是可以的。

隔离运放，线性度都能达到0.1%，Ti有一款号称全球价格最低的隔离放大器，

ISO124。隔离运放性能稳定，线性度良好，大多数都能达到或远远超过0.1%，都能达到0.01%。

第三种和第五种方法大同小异，都是把模拟信号变为数字信号然后再隔离数字信号。

数字信号再复原成模拟信号，这意味着这种电路复杂得很，但从隔离效果上讲，应该是一种比较合理的隔离方式。至少在成本和精度上，和隔离运放最有一拼的。压频转换和频压转换都非常贵，不适合做低带宽信号的转换；压频和频压转换不需要单片机的参与，电路更为简洁，可靠性更高。如果使用AD/DA转换复原，需要单片机或其他控制电路的参与，从开发角度来说，需要比较多的精力。

飞电容也是个思路特殊的隔离方案。相对于其他的隔离方案，首先是不需要隔离电源，其次是电路简单。飞电容就是将模拟信号作为源，对一个合适的电容进行充电，充完电后，将飞电容切换到测量电路一边，与向飞电容充电的电路完全断开，电容对测量电路放电，测量电路测量出电容的电压，即实现了电压信号的隔离。这个电路的核心在于，切换电容，并控制切换时间。最好使用继电器，但普通的继电器寿命有限，要使用湿簧继电器。

普通光耦只是使用了特殊的思路，用另外一个光耦做第一个光耦的反馈和补偿，如下图：

其中V2为2通道的线性光耦，也可以是单通道的两个同型号同批次的光耦，这样可以认为他们的非线性传输特性是一致的，设输入电流为I1，则输出电流K1（I1）