電路設計中幾種隔離元器件的選用

李念念，張小強

（中國空空導彈研究院，河南洛陽，471009）

0 引言

電路設計時，通常需要考慮噪聲的隔離問題，而隔離元器件可有效解決該問題，從而達到電磁兼容的目的。目前，隔離方式主要有：磁隔離、光隔離和隔離芯片等，而具體實現(xiàn)相應功能的元器件有光電耦合隔離器、電磁繼電器、固態(tài)繼電器、數(shù)字隔離芯片、脈沖變壓器，用途最廣泛、用量最大的主要是光電耦合隔離器和電磁繼電器。

1 光電耦合隔離器

光電耦合隔離器（以下簡稱光耦）是一種在同一封裝體內(nèi)同時集成發(fā)光元件和光敏元件的半導體光電子器件，其內(nèi)部發(fā)光元件接受外部電信號發(fā)光，光敏元件接收光信號而產(chǎn)生電信號，以此來實現(xiàn)電信號的傳輸，其是以光為媒介達到將輸入信號與內(nèi)部電路隔離開來,如圖1 所示，或是把內(nèi)部輸出信號與外部電路隔離開來，如圖2 所示[1]。當前多數(shù)光耦的隔離電壓都可達到2.5kV 以上,部分更可達到8kV 或更高，除隔離電壓越來越高，其功率及電流也越來越大，可滿足大功率大電流電路設計的要求，同時光耦的頻率也越來越高，已可達10MHz 或更高。利用光耦隔離性價比較高，但是選用時應考慮其響應速度。光耦具有響應快、體積小、壽命長、耐沖擊能力強等優(yōu)點，并且無觸點、工作溫度范圍寬，輸入輸出完全隔離，在電子電氣線路中廣泛應用。缺點：有靜態(tài)損耗，功率驅(qū)動（電流較小）。

選用光耦在電路中起隔離作用時一般應注意的幾個問題是：①隔離模擬信號時，應注意光耦的非線性問題，此時可考慮選用線性光耦；②隔離數(shù)字信號時，應注意光耦的響應速度問題，此時可考慮選用高速線性光耦如：6N135/6N136 等；③如果輸出有功率要求的話，還得考慮光耦的功率接口設計問題（包括散熱）；④考慮溫度對光耦的影響，溫度變化對其一些參數(shù)有較大影響。

圖1 外部輸入與內(nèi)部電路的隔離

圖2 內(nèi)部輸出信號與外部電路的隔離

2 電磁繼電器

電磁繼電器的內(nèi)部電磁線圈和觸點是沒有任何電氣連接的，繼電器工作時內(nèi)部線圈接受輸入信號，控制觸點斷開或閉合，進而對外輸出控制信號，其從物理上實現(xiàn)了電子線路中強電和弱電信號之間的絕對隔離，實現(xiàn)了抗干擾隔離。

優(yōu)點：簡單實用，價格低廉，隔離為物理隔離，無靜態(tài)損耗。

缺點：由于觸點的存在，抗振動能力，誤觸動（抖動），存在脈沖瞬間大電流，其失效率較高。

電磁繼電器由于結構相對較復雜，如圖3 所示，其內(nèi)部不但有電路、磁路，而且還有可動的機械部分，所以其可靠性相對較低，故在選用電磁繼電器時應注意以下問題：

①電磁繼電器觸點切換負載的能力有一定的范圍，超出規(guī)定范圍，會造成觸點損傷或切換出現(xiàn)異常，故實際選用時，建議按觸點額定負載電流的50%～70%降額選擇，以提高繼電器的使用壽命和可靠性[2]；

②選用的電磁繼電器在正常工作時，其線圈電壓最好是在其額定電壓下工作，不應降額使用，同時也不應施加過高電壓，否則會危及線圈壽命和使用可靠性；

③電磁繼電器線圈在通電瞬間，會產(chǎn)生反電動勢，其幅值可達幾十伏，甚至上百伏，故在選型時應考慮是否需要選用內(nèi)部有保護措施的繼電器；

④由于材料和結構不同，電磁繼電器能承受的環(huán)境力學條件各異，不能選用超過產(chǎn)品標準規(guī)定的環(huán)境力學條件下使用，可按比整機的環(huán)境力學條件高一級的條件選用。

圖3 普通電磁繼電器典型結構示意圖

3 脈沖變壓器

脈沖變壓器的一次繞組和二次繞組分別繞于鐵氧體磁芯的兩側(cè)，且其線圈匝數(shù)較少，如圖4 所示，這種結構可使脈沖變壓器的分布電容極小，僅為幾個pF，所以可用于脈沖信號的隔離[3]。脈沖變壓器在傳輸脈沖信號時，可濾除直流信號，因而在電子線路設計時得到了廣泛的應用。一般脈沖變壓器所傳遞信號的頻率在1k ～1MHz 之間，現(xiàn)在已有的高頻脈沖變壓器的傳輸頻率可達到10MHz[4]。作為信號傳輸過程中的隔離，不作為開關。優(yōu)點：價格相對較低，使用簡單，且為無源，環(huán)境適應能力強。缺點：有時間延時，響應速度不快，對波形整形有限，體積相對較大，較難集成，失效率較高。脈沖變壓器選用時應注意輸入輸出的阻抗匹配問題，同時要統(tǒng)籌兼顧其安放空間，來決定需要選用的路數(shù)。

圖4 脈沖變壓器示意圖

4 固態(tài)繼電器

固態(tài)繼電器一種沒有機械運動、不含運動零件的繼電器，利用電子元器件（功率場效應管等）的開關特性，磁或光特性實現(xiàn)可靠隔離，可實現(xiàn)無觸點開關的功能，其可實現(xiàn)功率驅(qū)動，可靠性較高，但存在靜態(tài)損耗大，體積較大。優(yōu)點：可靠性高，內(nèi)部使用的部件非機械部件，可在沖擊環(huán)境下穩(wěn)定運行，壽命長；其切換速度較快，且本身不產(chǎn)生電磁干擾，電磁兼容性好；在結構上多采用的方式是灌封氣密，具有很強的抗振性。缺點：大電流時會產(chǎn)生嚴重的溫升，從而影響繼電器性能；本身不是物理隔離，靜態(tài)功耗相對較高，在一些場合不適用。

在選擇固態(tài)繼電器時應注意以下問題：

①實際應用時的工作電壓，通常需要保留一定的余量；

②選用的固態(tài)繼電器應與負載類型相匹配；

③實際工作時的負載電流不可超過器件規(guī)定的絕對最大值，在環(huán)境溫度升高時需要降額使用；

④固態(tài)繼電器在關斷時，負載與電源沒有完全隔離，此時應考慮安全性等問題。

5 數(shù)字隔離芯片

數(shù)字隔離芯片的發(fā)展時間不長，但是發(fā)展速度較快，用途越來越廣泛，尤其需要更高隔離性能的數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)通信等領域，在低頻電子線路中用的較少。數(shù)字隔離芯片相比光電耦合器具有尺寸小、功耗小、時序精度高、速度高、易集成的優(yōu)點；尤其是其易集成的特點，使其功能不單一局限于隔離，還可擴展集成其它功能，如AD 公司iCoupler 數(shù)字隔離器系列，有標準數(shù)字隔離器、集成PWM 控制器和變壓器驅(qū)動器的數(shù)字隔離器、USB2.0 兼容型隔離器和隔離式I2C 數(shù)字隔離器等。數(shù)字隔離芯片目前普遍價格相對較高，隔離電壓還不能做太高；由于其在內(nèi)部集成有微型變壓器，故在有強磁場環(huán)境中性能易受影響，且其驅(qū)動能力相對較低。在選用數(shù)字隔離芯片時應注意由于其內(nèi)部結構的特殊，在系統(tǒng)中使用可能存在EMI 問題，同時注意隔離特性參數(shù)的理解和選擇，以免產(chǎn)生安全問題。

6 結束語

本文對電子線路設計時可能用到的幾種隔離元器件的優(yōu)缺點及選用注意事項作了概括性的論述，但實際設計產(chǎn)品時，還要對電氣產(chǎn)品的內(nèi)部噪聲及各種干擾進行全面的分析，選擇合理的隔離方式及恰當?shù)母綦x部位，并兼顧其它一些電子線路設計原則，才能設計出性能優(yōu)異的電子產(chǎn)品。