現(xiàn)代工廠的生產(chǎn)線正變得越來(lái)越復(fù)雜，比如汽車制造，包裝，食品飲料，倉(cāng)儲(chǔ)物流等產(chǎn)線正在使用成百上千個(gè)變頻器、伺服和電機(jī)來(lái)控制物料流動(dòng)， 這些產(chǎn)線對(duì)分布式電機(jī)控制系統(tǒng)需求量比較大。

隔離用戶及敏感電子部件是電機(jī)控制系統(tǒng)的重要考慮事項(xiàng)。安全隔離用于保護(hù)用戶免受有害電壓影響，功能隔離則專門用來(lái)保護(hù)設(shè)備和器件。電機(jī)控制系統(tǒng)可能包含各種各樣的隔離器件，例如：驅(qū)動(dòng)電路中的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器；檢測(cè)電路中的隔離式ADC、放大器和傳感器；以及通信電路中的隔離式SPI、RS-485、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器。無(wú)論是出于安全原因，還是為了優(yōu)化性能，都要求精心選擇這些器件。

雖然隔離是很重要的系統(tǒng)考慮，但它也存在缺點(diǎn)：會(huì)提高功耗，跨過(guò)隔離柵傳輸數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生延遲，而且會(huì)增加系統(tǒng)成本。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師傳統(tǒng)上求助于光隔離方案，多年來(lái)，它是系統(tǒng)隔離的當(dāng)然選擇。最近十年來(lái)，基于磁性(變壓器傳輸)方法的數(shù)字隔離器提供了一種可行且在很多時(shí)候更優(yōu)越的替代方案；從系統(tǒng)角度考慮，它還具備系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可能尚未認(rèn)識(shí)到的優(yōu)點(diǎn)。

本文將討論這兩種隔離解決方案，重點(diǎn)論述磁隔離對(duì)延遲時(shí)序性能的改善，以及由此給電機(jī)控制應(yīng)用在系統(tǒng)層面帶來(lái)的好處。

隔離方法

光耦利用光作為主要傳輸方法，如圖1所示。發(fā)送側(cè)包括一個(gè)LED，高電平信號(hào)開啟LED，低電平信號(hào)關(guān)閉LED。接收側(cè)利用光電檢測(cè)器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。隔離由LED與光電檢測(cè)器之間的塑封材料提供，但也可利用額外的隔離層(通?；诰酆衔?予以增強(qiáng)。

圖1. 光耦結(jié)構(gòu)

光耦的最大缺點(diǎn)之一是：LED老化，會(huì)使傳輸特性漂移；設(shè)計(jì)人員必須考慮這一額外問(wèn)題。LED老化導(dǎo)致時(shí)序性能隨著時(shí)間和溫度而漂移。因此，信號(hào)傳輸和上升/下降時(shí)間會(huì)受影響，使設(shè)計(jì)復(fù)雜化，尤其是考慮到本文后面要處理的問(wèn)題。

光耦的性能擴(kuò)展也是受限的。為了提高數(shù)據(jù)速率，必須克服光耦固有的寄生電容問(wèn)題，該問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致功耗升高。寄生電容還會(huì)提供耦合機(jī)制，導(dǎo)致基于光耦的隔離器件的CMTI(共模瞬變抗擾度)性能劣于競(jìng)爭(zhēng)方案。

磁隔離器(基于變壓器)已大規(guī)模應(yīng)用十多年，是光耦合器的有效替代方案。這類隔離器基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)，采用磁傳輸原理，隔離層由聚酰亞胺或二氧化硅構(gòu)成，如圖2所示。低電平電流以脈沖方式通過(guò)線圈傳輸，產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)穿過(guò)隔離柵，在隔離柵另一側(cè)的第二線圈中感生一個(gè)電流。由于采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS結(jié)構(gòu)，其在功耗和速度方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，而且不存在光耦合器相關(guān)的壽命偏差問(wèn)題。此外，基于變壓器的隔離器的CMTI性能優(yōu)于基于光耦合器的隔離器。

圖2. 磁性變壓器結(jié)構(gòu)

基于變壓器的隔離器還允許使用常規(guī)的信號(hào)處理模塊(防止傳輸雜散輸入)和高級(jí)傳輸編解碼機(jī)制。這樣就可以實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，使用不同編碼方案來(lái)優(yōu)化功耗與傳輸速率的關(guān)系，以及將重要信號(hào)更快速、更一致地傳輸?shù)礁綦x柵另一端。

延遲特性比較

所有隔離器的一個(gè)重要但常常被輕視的特性是其傳輸延遲。此特性衡量信號(hào)(可以是驅(qū)動(dòng)信號(hào)或故障檢測(cè)信號(hào))沿任一方向跨過(guò)隔離柵所需的時(shí)間。技術(shù)不同，傳輸延遲差別很大。通常提供的是典型延遲值，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)師特別關(guān)注最大延遲，它是設(shè)計(jì)電機(jī)控制系統(tǒng)需要考慮的重要特性。表1給出了光耦合器和磁隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的傳輸延遲和延遲偏差值示例。