恶劣环境下传感器信号受干扰，可能是隔离技术没选好

在一些恶劣的高电压、高功率工作环境中应用传感器传输信号，需要使用隔离器确保信号的完整。本文介绍并分析了光电隔离、磁隔离和电容式隔离这三种常见隔离技术的特性，比较了它们的差异，还着重介绍了电容式隔离方案的优势（更好的抗磁能力、更快的速数据传输、更高的信号完整性和低功耗）和应用。

传感器在一些高电压系统中的应用愈见广泛，如屋顶太阳能的逆变器、社区的电网、HVAC系统、又或是商业楼宇的自动化空调系统等。在这些工作环境下，传感器的数据传送到控制器，如人机界面（HMI，Human Machine Interface）作分析。

可是，如果传感器附近有一些高电压存在，不仅会影响传感器操作或损坏控制器，更有可能因发送传感器的数据错误而导致严重的事故，特别是医疗设备，这可能会对用户安全产生相当的风险。

为了防止高电压和高功率危险，设计中可以使用隔离器(isolator)作为系统的隔离屏障，使电压信号在传感器和控制器之间传递而不受共模电压的影响，确保信号完整。

图1，隔离器工作原理

还有一个关键原因是，现实中一些电信基础设施需要高速地传输数据及信号，会涉及高功率，而使用隔离器可以令系统得到保护。

电流隔离是电气系统中的一种隔离技术。在传感器和其他电子设备之间提供电流隔离，可以防止直流或不受控制的瞬态电流影响。然而，传感器传递的数据和能量仍然需要通过隔离屏障传送。

电流隔离屏障有三种常见技术——光电隔离、磁隔离和电容式隔离。虽然这三种技术隔离屏障的介质有所不同，但最终目标都是相同的。

光电隔离：成熟易用的技术

光电隔离(或称光隔离)，是三种技术中使用最早的，并且易于使用。如下图， 光隔离一般是采用光耦合器(简称光耦)进行隔离，以光为媒介传递信号。如Toshiba的TLP291光耦透过发光二极管（LED）和光探测器，把信号转换成以电-光电形式传递，产生隔离作用。

图2，光电隔离原理

然而光耦一般数据传输速率较低（因为LED需要时间开启），并且有较高的功耗，同时器件的性能表现会随着使用时间增加而降低。此外，由于发光二极管的物理尺寸限制，光隔离器的尺寸难以减小。

相对与光隔离，磁隔离和电容式隔离都是以数字方式通过屏障传输数据。

磁隔离：速率高而磁场抗扰度弱

磁耦是基于磁隔离技术的隔离器件，也成为磁隔离器。

图3，磁隔离工作原理

我们会发现，有些磁耦可以以高达100Mbps速度的脉冲电流通过隔离屏障，磁耦的数据传输速率特性可以在DigiKey网页內找到。

图4，磁耦数据速率参数查询

但是要留意的是，磁耦的功耗会随着数据速率增加而增加。它对电磁干扰也很敏感，而在HVAC系统和涉及电机的工厂自动化环境中的磁场是很大。

电容式隔离：更好的解决方案

与磁隔离一样，电容式隔离具有用于编码和解码输入AC信号的数字电路(如下图)，利用可变的电场在隔离屏障中传输信息。

图5，电容隔离工作原理

电容式隔离器无法传递直流信号，因此它们本身就是一个很好的隔离器。电容式隔离器不易受磁场噪声影响，而仍然保持高数据速率和低功耗。可见使用电容式隔离的好处是信号传输方面更有效率，对磁场有更好的抗扰度。

下图比较了ADI的ADuM1100(磁隔离)和TI的ISO72x(电容式隔离)的磁场抗扰度，虽然两个例子在限定磁场下都不太受磁场影响，但ISO72x对磁场抗扰度有更好的表现。

图6，磁隔离和电容隔离技术磁场抗扰度比较

无论是光隔离、磁隔离或是电容式隔离，只要在适当的条件下工作都可以达到很出色的隔离效果。下图是一个三种隔离技术的简单比较：

表1，三种主流隔离技术的比较

本文小结

传感器要高速度传输信号，隔离是一个不可或缺的组成技术。特别是在恶劣的高电压和高功率工作环境中，使用电容式隔离更见重要性，因为电容式隔离：

• 有很好的抗磁能力
• 具有更快的速数据传输
• 更高的信号完整性
• 低功耗

更多有关隔离技术的资料，可参考以下內容：

• 大家都在用数字隔离器替代光耦，这是为什么？
• Common Mode Transient Immunity (CMTI) of an Isolator
• 如何隔离单电源工业机器人系统中的高电压
• 保护 MCU、传感器接口远离电机负载和状况快速变化的危险