電氣隔離（Electrical Isolation）詳解

1. 基本定義

電氣隔離是指通過(guò)物理或電氣手段，將兩個(gè)或多個(gè)電路之間的直接導(dǎo)電路徑切斷，確保電流或電壓無(wú)法直接傳遞，同時(shí)允許信號(hào)或能量的受控傳輸。其目的是：

• 安全防護(hù)：防止高壓、漏電或故障電流危及人員或設(shè)備。

• 抗干擾：阻斷地環(huán)路噪聲、共模干擾等。

• 電平轉(zhuǎn)換：實(shí)現(xiàn)不同電壓域之間的信號(hào)傳遞（如5V MCU控制220V負(fù)載）。

2. 電氣隔離的關(guān)鍵需求

3. 主流電氣隔離方法

（1）物理隔離

• 空間隔離：

  • 通過(guò)空氣或絕緣距離阻斷導(dǎo)電（如高壓線間距、PCB爬電距離設(shè)計(jì)）。

  • 標(biāo)準(zhǔn)參考：IEC 60601（醫(yī)療設(shè)備）、IEC 60950（信息技術(shù)設(shè)備）規(guī)定間隙和爬電距離。

• 絕緣材料隔離：

  • 使用塑料、陶瓷、玻璃等絕緣體隔離導(dǎo)體（如變壓器繞組間的絕緣膠帶）。

（2）磁隔離（變壓器耦合）

• 原理：利用磁場(chǎng)傳遞能量或信號(hào)，原副邊無(wú)電氣連接。

• 應(yīng)用：

  • 功率隔離：AC-DC電源中的隔離變壓器（如反激式拓?fù)洌?/p>

  • 信號(hào)隔離：數(shù)字隔離器（如ADI的iCoupler技術(shù)）。

• 特點(diǎn)：

  • 支持高頻信號(hào)（MHz級(jí)）。

  • 可傳輸功率（瓦級(jí)至千瓦級(jí)）。

（3）光隔離（光耦）

• 原理：LED發(fā)光→光電晶體管接收，通過(guò)光傳輸信號(hào)。

• 典型器件：

  • 普通光耦（如PC817）：低速開(kāi)關(guān)信號(hào)（kHz級(jí)）。

  • 高速光耦（如6N137）：支持MBps級(jí)數(shù)據(jù)傳輸。

• 優(yōu)缺點(diǎn)：

  • 優(yōu)點(diǎn)：成本低，隔離電壓高（可達(dá)5kV）。

  • 缺點(diǎn)：速度受限，LED老化影響壽命。

（4）電容隔離

• 原理：通過(guò)高頻信號(hào)耦合電容傳遞信號(hào)，直流成分被阻斷。

• 應(yīng)用：

  • 數(shù)字隔離芯片（如TI的ISO7740）。

  • 射頻信號(hào)隔離（如CMOS開(kāi)關(guān)隔離）。

• 特點(diǎn)：

  • 高速（可達(dá)100Mbps）、低功耗。

  • 對(duì)高頻噪聲敏感，需屏蔽設(shè)計(jì)。

（5）射頻（RF）隔離

• 原理：利用電磁波無(wú)線傳輸信號(hào)（如微波、射頻模塊）。

• 應(yīng)用：

  • 無(wú)線充電（Qi標(biāo)準(zhǔn)）。

  • 非接觸式傳感器（如射頻標(biāo)簽RFID）。

（6）機(jī)械繼電器隔離

• 原理：通過(guò)觸點(diǎn)物理通斷實(shí)現(xiàn)隔離。

• 類型：

  • 電磁繼電器：線圈驅(qū)動(dòng)機(jī)械觸點(diǎn)（隔離電壓高，但速度慢）。

  • 固態(tài)繼電器（SSR）：光耦+半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)（無(wú)觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)）。

4. 隔離性能關(guān)鍵參數(shù)

5. 典型應(yīng)用方案

• 電機(jī)驅(qū)動(dòng)：
  光耦隔離（PWM信號(hào)） + 磁隔離（柵極驅(qū)動(dòng)電源） + 空間隔離（高壓PCB布局）。

• 醫(yī)療設(shè)備：
  變壓器隔離（DC-DC電源） + 電容隔離（ECG信號(hào)傳輸）。

• 工業(yè)通信：
  數(shù)字隔離器（CAN收發(fā)器） + 磁耦隔離（RS-485）。

6. 選型要點(diǎn)

• 安全標(biāo)準(zhǔn)：符合IEC/UL（如IEC 60747-5-5對(duì)光耦的要求）。

• 速度需求：低速控制（光耦）vs 高速數(shù)據(jù)（電容隔離）。

• 集成度：獨(dú)立光耦 vs 多通道數(shù)字隔離芯片（如ISO7740）。

• 成本：光耦＜磁隔離＜電容隔離。

總結(jié)

電氣隔離是保障系統(tǒng)安全和信號(hào)完整性的技術(shù)，方法需根據(jù)電壓等級(jí)、信號(hào)類型、速度及成本綜合選擇：

• 低成本低速：光耦（如開(kāi)關(guān)控制）。

• 高速數(shù)據(jù)：電容/磁隔離芯片（如SPI通信）。

• 高功率傳輸：變壓器（如電源模塊）。
  設(shè)計(jì)時(shí)需嚴(yán)格計(jì)算隔離電壓、爬電距離，并通過(guò)安規(guī)測(cè)試（如耐壓測(cè)試、絕緣電阻測(cè)試）。