一 行業(yè)現(xiàn)狀

　　繼美國之后，我國也將智能電網(wǎng)的發(fā)展提到戰(zhàn)略的層面。智能電網(wǎng)要求從發(fā)電、輸電到配電的整個電網(wǎng)，包括系統(tǒng)和元器件可靠、安全，能夠保證供電的連續(xù)性、安全性，低壓電器為了適應(yīng)智能電網(wǎng)的應(yīng)用，提高低壓配電與控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性以及自動化程度，實現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化是發(fā)展的必然方向。一旦系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，低壓電器必須具有雙向通信功能，經(jīng)通信適配器能與各種現(xiàn)場總線系統(tǒng)連接。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，使配電系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)變得更簡潔、更高效。同時，低壓電器必須具有更高的動作可靠性和承受環(huán)境變化帶來的影響。

　　由于低壓電器所處的工作環(huán)境非常惡劣（如強(qiáng)磁場，電磁輻射，瞬態(tài)干擾脈沖，溫度），低壓電器通信的可靠性受到挑戰(zhàn)；為了保證通信的準(zhǔn)確可靠和系統(tǒng)穩(wěn)定，通常會選用一些隔離器件將通訊數(shù)據(jù)在接口上實現(xiàn)電氣隔離，提高低壓電器工作的可靠性。

　　二 隔離技術(shù)

　　當(dāng)前的隔離技術(shù)主要有：變壓器、光耦合器、iCoupler隔離器、電容隔離以及GMR隔離器，都提供電流隔離的典型方法，它們能阻斷不共地兩點之間的電流，同時允許數(shù)據(jù)順利通過。所謂“隔離”是用來保護(hù)設(shè)備以防由電源浪涌或接地環(huán)路引起的高電壓或電流而造成設(shè)備損壞或工作失常。如果不采用隔離，上述電流會引入噪聲，降低數(shù)據(jù)傳輸可靠性，甚至?xí)南到y(tǒng)元件。

　　1.       光耦合器

　　光耦合器是應(yīng)用范圍較廣的產(chǎn)品，它以光為媒介傳輸電信號，對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端是電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。光耦合器會占用很大的空間，傳輸頻率也相當(dāng)有限(最多僅數(shù)十個Mbps)。更糟的是，光耦合器的效能還會隨著環(huán)境溫度的增加而下降。隨著系統(tǒng)溫度升高，光耦合器的驅(qū)動電流需求在許多情形下會增加一倍，這是因為電流傳送比(CTR，代表輸入信號傳送到輸出端的比值)會隨著溫度從25℃升高至100℃而減少六成。這會增加光耦合器驅(qū)動電流和系統(tǒng)散熱需求。

　　2.      iCoupler隔離器

　　iCoupler技術(shù)基于芯片級變壓器，采用晶圓級工藝直接在片上制作變壓器。iCoupler變壓器采用平面結(jié)構(gòu)，在晶圓鈍化層上使用CMOS金屬和金構(gòu)成。金層下有一個高擊穿的聚酰亞胺層，將頂部的變壓器線圈與底部的線圈隔離開來。連接頂部線圈和底部線圈的CMOS電路為每個變壓器及其外部信號之間提供接口。使用傳送到給定變壓器初級端的1 ns脈沖對輸入邏輯跳變進(jìn)行編碼。這些脈沖從變壓器初級線圈耦合到次級線圈，并且由次級端電路檢測。然后，該電路在輸出端重新恢復(fù)成輸入數(shù)字信號。此外，輸入端還包含一個刷新電路，保證即使在沒有輸入跳變的情況下輸出狀態(tài)也與輸入狀態(tài)保持匹配。

3.     GMR隔離器

　　GMR高速數(shù)字隔離器件是采用GMR巨磁電阻技術(shù)集成的高速CMOS器件。巨磁電阻（GMR）效應(yīng)來自于載流電子的不同自旋狀態(tài)與磁場的作用不同，因而導(dǎo)致的電阻值的變化。這種效應(yīng)只有在納米尺度的薄膜結(jié)構(gòu)中才能觀測出來。在GMR隔離器中，輸入端信號在低電感線圈感應(yīng)電流，產(chǎn)生正比的磁場?？偟拇艌龈淖僄MR的電阻，通過CMOS集成電路分析，輸出就是輸入信號的精確重生。GMR在隔離方面具有兩個重要的優(yōu)勢。首先，GMR電阻的巨大變化提供了一個更大的信號。其次，也許更重要的是， GMR技術(shù)與集成電路技術(shù)兼容，允許巨磁阻器件可作為一部分芯片的封裝，這將導(dǎo)致更小，更快，更精確的器件。

　　4.     電容耦合隔離器件

　　電容耦合使用不斷變化的電場來通過隔離層實現(xiàn)信息傳輸。電容器極板之間的材料是電介質(zhì)絕緣體(二氧化硅)，即隔離層，這種高性能的絕緣體具有很穩(wěn)定的可靠性和耐用性以及抗磁干擾能力和抗瞬態(tài)電壓能力。采用電容隔離層的優(yōu)勢是效率高，無論在體積、能量轉(zhuǎn)換還是在抗磁場干擾方面均如此。電容耦合的缺點在于無差分信號，并且噪聲與信號共用同一條傳輸通道。這就要求信號頻率應(yīng)遠(yuǎn)高于可能出現(xiàn)的噪聲頻率，以便使隔離層電容對信號呈現(xiàn)低阻抗而對噪聲呈現(xiàn)高阻抗。電容耦合存在帶寬限制，并需要時鐘編碼數(shù)據(jù)。

　　三NVE隔離器性能

　　NVE公司于1998年推出了基于GMR技術(shù)的隔離產(chǎn)品，是全球第一家把GRM技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的供應(yīng)商。圖1是隔離器的內(nèi)部設(shè)計圖。在GMR磁電隔離器中，由線圈內(nèi)的電流產(chǎn)生磁場，并通過絕緣勢壘擴(kuò)展磁場，GMR元件傳感這個場。由于線圈電路和傳感電路被高介電強(qiáng)度介質(zhì)隔開，這樣，在驅(qū)動線圈和傳感磁場時，數(shù)據(jù)(信號)就可以通過這個器件；而且線圈電路和傳感電路彼比之間沒有直接的連接通道，即它們是弧立的，故可以獲得很高的隔離電壓。給GMR磁場敏感元件鍍上高導(dǎo)磁率坡莫合金軟磁層，既可以減少外部磁場的干擾，又可以使片上線圈電流產(chǎn)生的磁場倍增。

圖1    隔離器的內(nèi)部設(shè)計圖

　　磁隔離(IsoLoop)最重要的優(yōu)點是容易與芯片上的電子元件集成；有可能同其他通信電子元件集成為多通道隔離器，且設(shè)計和制造工藝較簡單。具有以下優(yōu)勢：

     1.     傳送波特率高-----目前設(shè)計的GMR磁電隔離器，能夠達(dá)到110Mbps，最高為150Mbps。而市售的速度最快的光電隔離器的工作速度約為10Mbps。使用變壓器的隔離器也可以在甚高頻下以25Mbps的速度工作。但是使用這種隔離變壓器時，必須對數(shù)據(jù)編碼，并且不適合于任意的隨機(jī)邏輯傳輸；

　　2.     數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換性能高-----2ns脈沖失真，10 ns典型的傳輸延遲，4ns典型的傳輸差異。低的脈沖失真，能夠確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性；在光耦的應(yīng)用時，為了達(dá)到這一目的，都在程序上加入容錯的處理，這樣一旦發(fā)生故障，響應(yīng)的時間會增長?？斓膫鬏斞舆t，能夠是數(shù)據(jù)及時達(dá)到，保證系統(tǒng)運(yùn)行在正確的狀態(tài)。

　　3.     安全規(guī)格-----2.5KVrms隔離/1分，30 kV/µs瞬態(tài)抗擾度，工作溫度范圍-40-125°C。符合IEC61010-1 UL1577 EN50081-1 EN50082-1。

　　4.     體積小----集成度高，單芯片最多集成5個通道；除了SOIC封裝外，還有更小體積的MSOP，更好的節(jié)省PCB空間。

　　四 應(yīng)用

     NVE公司推出的IL41050是一款使用單芯片隔離CAN/DeviceNet收發(fā)器，完全符合ISO11898 CAN 標(biāo)準(zhǔn)，集成了一CAN收發(fā)器，工作溫度范圍-55-125°C，能夠滿足汽車、工業(yè)自動化、通信等領(lǐng)域。

圖2  IL41050方案圖

      圖2是IL41050的CAN總線隔離方案，用一個隔離型的DC-DC Converter和IL41050就可以實現(xiàn)，不需要額外的收發(fā)器，能夠減少器件，節(jié)約成本。對于CAN總線來說,傳輸回路的延遲非常重要 Loop Delay，IL41050的延遲只有180ns，是一款性能出色的隔離芯片。

　　此外，還有很多其他類型的產(chǎn)品，如IL600系列替換光耦的首選；針對各種通信接口（RS485,RS232,SPI,I2C等），由特定的產(chǎn)品提供更好的隔離解決方案。（各方面的隔離方案）

　　五 總結(jié)

　　在低壓電器越來越智能化，可靠性要求也越來越嚴(yán)格的情況下，選擇性能更高、成本更低的隔離產(chǎn)品，NVE隔離產(chǎn)品滿足這些要求嚴(yán)格的地方使用，是一個不錯的選擇。