如何將隔離式電源模塊應(yīng)用于信號(hào)隔離

信號(hào)傳輸無(wú)處不在。例如在工業(yè)應(yīng)用中，電動(dòng)汽車 (EV) 充電站和帶有可編程邏輯控制器 (PLCs)的自動(dòng)化系統(tǒng)都可能存在對(duì)人體造成危險(xiǎn)的高電壓（高達(dá)幾千伏）。這種危險(xiǎn)的高電壓可能穿過(guò)信號(hào)線，造成信號(hào)干擾，并最終損壞終端電子設(shè)備。

讓信號(hào)和電源通過(guò)隔離屏障將有助于解決這個(gè)問(wèn)題。本文將介紹串行外設(shè)接口 (SPI) 以及 RS-232、RS-485 和 CAN 接口通信的信號(hào)隔離，同時(shí)以MPS簡(jiǎn)單易用的超小尺寸電源模塊解決方案MIE1W0505BGLVH為例，說(shuō)明如何將隔離式電源模塊應(yīng)用于信號(hào)隔離。

隔離簡(jiǎn)介

同時(shí)傳輸電源和信號(hào)并確保其隔離對(duì)工程師來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)楦綦x對(duì)人身安全、系統(tǒng)保護(hù)和信號(hào)完整性都至關(guān)重要。

1.安全性: 工業(yè)機(jī)器人、電動(dòng)汽車充電站或醫(yī)療設(shè)備等應(yīng)用都用到了高達(dá)千伏的電壓水平，而人類只能承受約36V的電壓。隔離可以保護(hù)用戶免受危險(xiǎn)的高電壓傷害。

2.系統(tǒng)保護(hù): 隔離技術(shù)可以保護(hù)重要設(shè)施和電子設(shè)備免受浪涌電壓造成的損壞。

3.信號(hào)完整性: 信號(hào)傳輸可能受外部電磁干擾（EMI）的影響，而隔離將有助于保持信號(hào)的完整性。

半導(dǎo)體隔離技術(shù)

半導(dǎo)體 IC 具有集成隔離屏障，可在電氣系統(tǒng)中提供隔離功能。采用隔離式 IC 是一種簡(jiǎn)單的方法，它可以構(gòu)建高壓、大功率系統(tǒng)而無(wú)需添加隔離電路。常見(jiàn)的半導(dǎo)體隔離技術(shù)包括：

1.光隔離: 光耦合器是一種無(wú)源元件，它可將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，然后再將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。在這個(gè)過(guò)程中，電信號(hào)可以通過(guò)光學(xué)載體（例如發(fā)光二極管LED）傳輸。光耦合器廣泛應(yīng)用于反激式電源設(shè)計(jì)和其他信號(hào)傳輸場(chǎng)景。

2.容性隔離: 電容可以阻止直流電流的流動(dòng)，同時(shí)讓交流電流通過(guò)。利用這一特性，在信號(hào)流經(jīng)電容時(shí)對(duì)其進(jìn)行調(diào)制，就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸過(guò)程中的隔離。光隔離中的LED需要較大的偏置電流，而容性隔離僅需要少量的偏置電流。此外，容性隔離還具有更高的傳輸速度、更低的傳播延遲和強(qiáng)大的抗電磁干擾能力。

3.磁隔離: 電源和信號(hào)還可以通過(guò)磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)耦合來(lái)傳輸。磁隔離通常采用變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)，多用于開(kāi)關(guān)電源和電源模塊設(shè)計(jì)。

如何將隔離式電源模塊應(yīng)用于信號(hào)傳輸

信號(hào)傳輸有多種類型，其中包括SPI、RS-485、RS-232和CAN。在大功率工業(yè)應(yīng)用中，當(dāng)信號(hào)從一個(gè)硬件系統(tǒng)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)硬件系統(tǒng)時(shí)，硬件系統(tǒng)會(huì)不可避免地受到危險(xiǎn)的高電壓影響。

這些高電壓還會(huì)破壞信號(hào)鏈。因此，必須使用信號(hào)隔離器和隔離式電源模塊。如圖 1所示，本文將介紹如何將隔離式電源模塊用于信號(hào)傳輸（SPI、RS-485、RS-232 和 CAN）。

串行外設(shè)接口(SPI)

SPI 是一種高速全雙工通信模式，可通過(guò)4個(gè)信號(hào)通道（3 個(gè)正向和 1 個(gè)反向）傳輸信號(hào)（見(jiàn)圖 2）。信號(hào)可以從主機(jī)傳輸?shù)綇臋C(jī)，也可以反向傳輸。要實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸過(guò)程中的電氣隔離，設(shè)計(jì)人員可以在主設(shè)備微控制器 (MCU) 和從設(shè)備（收發(fā)器）之間添加電氣隔離屏障。

電氣隔離屏障可以通過(guò)數(shù)字隔離器（如MP27631）和隔離式電源模塊（如 MIE1W0505BGLVH）來(lái)實(shí)現(xiàn)（見(jiàn)圖 3）。信號(hào)隔離器在提供隔離的同時(shí)允許信號(hào)通過(guò)； 但它是有源元件，需要在其原邊和副邊施加偏置電壓。MIE1W0505BGLVH 是新一代高性價(jià)比的隔離式電源模塊，它具有出色的 EMI 抗擾度以及線性和負(fù)載調(diào)整率。該電源模塊采用超小尺寸 LGA (4mmx5mm) 封裝，支持高達(dá) 2.5kV 的隔離電壓。

RS-485

在 RS-485 協(xié)議中，信號(hào)在雙絞線中以差分方式傳輸（其中線 1 = A線，線 2 = B 線）。 A線和B線之間定義了兩個(gè)邏輯電平，正邏輯電平范圍為+2V至+6V，負(fù)邏輯電平范圍為-2V至-6V。這兩個(gè)邏輯電平等效項(xiàng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)狀態(tài)的啟用和禁用。差分傳輸極大地提高了系統(tǒng)的 EMI 抗擾度。這種傳輸方法需要 3 個(gè)信號(hào)通道，它廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制和控制系統(tǒng)處理等工業(yè)應(yīng)用（見(jiàn)圖 4）。

RS-232

RS-232 協(xié)議是一種簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議（見(jiàn)圖 5）。與RS-485相比，RS-232的傳輸速度較慢，距離也較短，在老一代 PCB 中應(yīng)用較為廣泛。

CAN

CAN協(xié)議由德國(guó)博世公司開(kāi)發(fā)，具有高可靠性和高性能。與RS-485相比，CAN總線的實(shí)時(shí)通信速度更快、更穩(wěn)定。與此同時(shí)，CAN 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，它只需要兩個(gè)信號(hào)通道（見(jiàn)圖 6）。CAN通信協(xié)議廣泛應(yīng)用于汽車、醫(yī)療和工業(yè)設(shè)備等高可靠性應(yīng)用。

實(shí)際應(yīng)用中的隔離式電源模塊

我們以實(shí)際應(yīng)用為例來(lái)說(shuō)明如何使用隔離式電源模塊。

PLC系統(tǒng)

PLC 是專為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)字控制單元。PLC中包括 CPU、存儲(chǔ)器、I/O、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電源。它是工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的大腦，可以控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)，通過(guò)傳感器檢測(cè)氣體壓力、溫度，通過(guò)人機(jī)界面（HMI）與人交互，并實(shí)現(xiàn)與其他電氣設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。

MIE1W0505BGLVH等隔離式電源模塊可以通過(guò) RS-485 接口或 I/O 接口為數(shù)據(jù)通信鏈提供強(qiáng)大的電源。圖 7 顯示了 PLC 的功能框圖。

電動(dòng)汽車充電站

新能源正在重塑整個(gè)世界，在人們不斷尋求可持續(xù)能源的過(guò)程中，電動(dòng)汽車 (EV) 也會(huì)更加普及。 充電站從電網(wǎng)中獲取電力，再提供給電動(dòng)汽車電池用于充電。電網(wǎng)的輸出電壓(VOUT)或充電站的輸入電壓(VIN)最高可達(dá)480VAC，非常危險(xiǎn)。MIE1W0505BGLVH 等隔離式電源模塊能夠提供高可靠的隔離技術(shù)，保護(hù)驅(qū)動(dòng)器甚至汽車電子設(shè)備免受高電壓的影響。圖 8 顯示了電動(dòng)汽車充電站的功能框圖。

電動(dòng)自行車（E-Bike）

經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的人口稠密城市面臨著交通擁堵的問(wèn)題，這增加了人們的通勤時(shí)間，增加了碳排放，還可能發(fā)生事故導(dǎo)致受傷。電動(dòng)自行車則是一種新興且便捷的交通方式，尤其適用于短距離交通。 MIE1W0505BGLVH 等電源模塊可以保護(hù)騎行者免受E-Bike 48V 電池組的傷害，同時(shí)還能保持信號(hào)通信接口的信號(hào)完整性。圖 9 顯示了電動(dòng)自行車的功能框圖。

結(jié)語(yǔ)

本文闡述了隔離的基本概念以及如何使用隔離式電源模塊（例如 MIE1W0505BGLVH）實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離。MIE1W0505BGLVH是一款簡(jiǎn)單易用、性能卓越的超小尺寸電源模塊解決方案。

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用的不斷發(fā)展和更多能源需求，工業(yè)環(huán)境將變得越來(lái)越復(fù)雜。尤其當(dāng)工業(yè)設(shè)備和人類使用設(shè)備之間需要額外的信號(hào)集成時(shí)，設(shè)計(jì)人員更是面臨不斷變化的挑戰(zhàn)。除了數(shù)字隔離器、隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器和變壓器驅(qū)動(dòng)器等產(chǎn)品以外，隔離式電源模塊也成為滿足應(yīng)用需求必不可少的一員。