如何隔离单电源工业机器人系统中的高电压

在工业自动化应用中可连接多个系统，这样做有很多好处，但是当这些系统之间存在高压差时，设计人员就需要管理电压不一致问题，其中包括系统接地的较大压差。

解决这些模拟和数字电流隔离挑战的硬件技术包括光学、磁性和电容隔离栅。要隔离的传输信号类型包括模拟信号、电源信号和数字信号。

本文将介绍适合的工业电压隔离解决方案及其应用。

电流隔离栅

电流隔离是通过防止电压和接地之间产生电流来分隔电路的行为。以下是从两条或多条电路之间的直接连接形成的电流（图 1）。

图 1：从工业机器人特写照片可以看到控制、电机驱动和电源部分的隔离要求，以及这些区域之间的通信。（图片来源：Texas Instruments）

在存在电流隔离情况下，没有直接的传导路径。此类型电路的好处在于，可通过使用光场、磁场或电场，利用电流隔离栅交换模拟或数字信息。这些场打开了很多门。通过其中的一个门，多个系统可以在不同的接地和电压电位下安全、正确地运行。它们还可以交换模拟或数字信息，而不会在过程中相互干扰或破坏。

为了解决这些问题，设计人员需要为多系统电路找到合适的电流隔离技术。选择有光学（LED，光电二极管）、电气（电容器）或磁性（电感器）解决方案。在本文中，所有隔离栅都在硅或半导体封装的某个部分中实现（图 2）。

图 2：光耦合需要一个 LED 和光电二极管。电感耦合需要两个由隔离器隔开的绕组。电容耦合需要两个由隔离器隔开的导体。（图片来源：Texas Instruments）

光学隔离

光学隔离依赖于传输光线的 LED 和接收光线的光电检测器之间的分离。对于电流隔离，LED 通过隔离材料（如透明聚酰亚胺）对准光电二极管。

图 3：光耦合器包含一个发射器 (LED) 和一个光电二极管（接收器），使用环氧树脂黏着到引线框架，二者之间的透明聚酰亚胺提供隔离栅。（图片来源：Texas Instruments）

光隔离的优势是不受电场和磁场的影响。但是，LED 在其使用寿命内会老化。

光隔离栅模拟信号应用

光隔离设备的隔离栅能够传输模拟或数字信号。Vishay Semiconductor Opto Division IL300 线性光耦合器是一种线性光隔离器件，封装内部有一个 LED 和两个光电二极管，所有元件之间彼此实现电隔离。在 IL300 芯片中，LED 光均匀照射在两个光电二极管上，以产生同等的电流（I_P1 和 I_P2）（图 4）。

图 4：IL300 LED 和光电二极管 1 (I_P1) 位于隔离栅的左侧。光电二极管 2 (I_P2) 位于隔离栅的右侧。（图片来源：Vishay Semiconductor Opto Division）

在图 4 中，U1 放大器（Texas Instruments，TLV9064IDR）驱动 IL300 LED 以产生反馈光电二极管电流 (I_P1)。前馈光电二极管电流 (I_P2) 通过隔离式 R2 电阻器发送，该电阻器位于隔离式 U2 放大器的反馈环路中。在此电路中，增益等于 R2/R1。另外，V_out 信号不受 V_CC1 相对 V_CC2 的变化和两个接地的影响。

LED 亮度随时间的推移会降低。但是，图 4 中的系统不依赖于 LED 的亮度水平；它只要求 LED 打开。LED 光线由两个光电二极管平均地捕获。要将 IL300 应用于图 1 中的框图，人机接口 (HMI) 与机器人控制器之间的位置可能较为适合。

光隔离栅的数字信号应用

光耦合器的另一个应用是将设备用作数字发射器。Vishay Semiconductor Opto Division 的 SFH6750-X007T 双通道光耦合器和 QT Brightek 的 QTM601T1 单通道光耦合器是高速光耦合器，采用开漏 NMOS 晶体管输出，可轻松隔离模数转换器 (ADC) 的三通道数字输出（图 5）。

图 5：SFH6750 双通道隔离耦合器和 QTM601T1 单通道隔离耦合器构成了隔离 24 位 ΔΣ ADC 的隔离栅。（图片来源：DigiKey）

在图 5 中，一个 24 位三角积分 (ΔƩ) 转换器的串行输出代码从电路的隔离侧传输到系统侧。SFH6750 在数字域中以光学方式完成此传输。

SFH6750 和 QTM601T1 配置提供高达 10 兆波特率 (MBd) 的传输速度，因而适合高速数据应用。从图 1 的框图中可以看出，ADC 接口可能适合放置于人机接口 (HMI) 与机器人控制器之间。

电感隔离

电感隔离采用两个上下堆叠的线圈，线圈之间通过介电材料隔离开来。施加交流信号后会产生一个磁场，进而在次级线圈中产生一个电场（图 6）。

图 6：变压器配置结构包括采用聚酰亚胺分离开来的两个绕组。（图片来源：Analog Devices）

电感隔离非常有效。但是，它也容易受到磁场的影响。

电感线圈型隔离栅的电源应用

磁性隔离栅适用于模拟和电源隔离应用。作为电源转换器，Analog Devices 的 ADP1621ARMZ-R7 隔离式升压 DC-DC 控制器的电感器和外部电源 FET 在 图 7 中分别为 T1 和 Q3。

图 7：使用 ADuM3190 磁性隔离放大器和 ADP1621 升压 DC-DC 切换控制器的参考设计。（图片来源：Analog Devices）

在图 7 中，Analog Devices ADUM3190ARQZ-RL7 高稳定度线性隔离式误差放大器提供了从 T1 的次级侧到初级侧的模拟反馈信号。整个电路的工作电压为 5 V 到 24 V，适用于标准工业电源。

电容隔离

电容隔离元件的构造包括紧密相邻的两块电容板，两板之间夹有电介质。二氧化硅 (SiO₂) 材料可植入电容板之间，以产生这种隔离能力。在此配置中，SiO₂ 的击穿电压为 500 - 800 V/微米 (µm)。此类隔离器的典型距离为 27 µm，因此隔离栅隔离能力为 13.5 kV 至 21.6 kV（图 8）。

图 8：电容板之间的电介质是二氧化硅 (SiO₂)，可提供 500 - 800 V/µm 的隔离保护。（图片来源：Texas Instruments）

电容隔离最适合于小空间应用。然而，其周边电路比光学和磁性解决方案更为复杂。

电容隔离栅的模拟应用

典型的电容模拟隔离器如 Texas Instruments AMC1301DWVRQ1 或 AMC1311DWV，接收模拟信号，将信号调制为数字表示，然后通过隔离栅传输数字化信号（图 9）。

图 9：AMC1311DWV 电容式全差分模拟隔离器通过隔离栅传输二阶三角积分 (ΔƩ) 调制器信号。（图片来源：Texas Instruments）

在隔离栅的接收器侧，信号被解调回差分输出模拟信号。

电机控制环境中的电感负载易受高开关电压摆动的影响。为确保正常运行，需要不断监控此频繁变化的环境。使用电阻分压器降低电机驱动电路中的高共模电压的隔离电压检测，就是相应的 AMC1301 和 AMC1311 隔离放大器电机控制应用（图 10）。

图 10：AMC1301 检测电感电桥的 FET 电流。AMC1311 可感测变频器中的直流总线电压。（图片来源：Texas Instruments）

在图 10 中，通过分流电阻器 R_SHUNT 和 AMC1301 隔离式放大器实现相电流测量。凭借高阻抗输入和高共模瞬态抗扰度，AMC1311 可感测偏置电压 V_BIAS，从而实现系统配置的稳定读取。即使在高噪声环境下，AMC1311 也能确保可靠性和准确度，例如电机驱动器中所用变频器的功率级读取。

AMC1301 和 AMC1311 均可抗电磁干扰，并具有高达 7 kV_PEAK 的电流隔离能力。当与隔离式电源配合使用时，AMC1301 和 AMC1311 可防止高共模电压线路的噪声电流进入本地接地，以免干扰或损坏敏感电路。

电容隔离栅的数字应用

在准备将直流信号传输至输出引脚的过程中，典型电容式数字隔离器接收数字信号，将信号调制为适当的交流信号，然后发送至解调器（图 11）。

图 11：电容式数字隔离器需要将高直流输入调制为交流信号。交流信号穿过隔离栅并解调回高直流值。（图片来源：Silicon Labs）

在图 11 中，只要传输信号保持高电平，就可以在接收器侧生成高电平数字传输信号。此逻辑中的冲突是，如果电荷从电容板上消散，或者如果接收器端出现电源中断，输入状态为高电平时，输出可能会变为零。如果发生这种情况，接收器数字信号高电平状态会丢失。为了解决此问题，调制器为数字“0”创建单个低电压，并为数字“1”创建一个快速交流轨至轨信号（图 12）。

图 12：当输入代码为“1”时，数字电容隔离器通过隔离栅发送交流信号。当输入代码为“0”时，不需要发送此交流信号。（图片来源：Silicon Labs）

一个电容式数字隔离实例就是，使用 Silicon Labs SI8422 SI8423  数字耦合器连接微控制器和 ADC 之间的数字线路（图 13）。

图 13：四通道隔离式 SPI 接口，其中三个通道从左向右发送信号，一个通道从右向左发送信号。（图片来源：DigiKey）

电容式数字设备消耗的功率较低，同时提供高数据速率和低传播延迟。两款器件均支持高达 150 兆位/秒 (Mbits/s) 的数据速率。

总结

在工业自动化应用中多系统存在处理模拟和数字传输信号的困难，光学、磁性和电容电隔离栅可应对这些挑战。通过组合使用这三种硬件技术和两种信号传输技术，可实现适合的工业自动化解决方案。