本文是目前在写的教材中的一部分,先把基本结构写出来,后面慢慢补充,有何意见建议欢迎交流。
嵌入式系统的电气隔离 1.1.1 电气隔离概述 1. 电气隔离的必要性电路隔离的主要目的是通过隔离元器件把噪声干扰的路径切断,从而达到抑制干扰保护电路不受危险电压和电路危害的效果,使电子电气设备符合电磁兼容性的要求同时提升设备的可靠性。由于有的嵌入式系统需要工作在环境较为恶劣的环境中,可能受到电网谐波、雷击浪涌、高频干扰、电磁干扰等各种形式的干扰,因此,在嵌入式系统中的设计过程中需要设计各种的抗干扰措施,而电气隔离是最重要,也是普遍需要的一种抗干扰方式。
将嵌入式系统,或者嵌入式系统的主要控制电路与供电电源、大功率设备、主要通信接口等进行电气隔离,可以有效的保证嵌入式系统稳定的运行。例如嵌入式系统通过隔离电源与供电电源隔离就可以避免供电电源中的谐波、脉冲等干扰,如果嵌入式控制器控制一些大功率设备,则可以将两者电源和控制信号分别进行隔离,这样可以避免大功率设备运行过程中造成的电压波动、产生的干扰等对微控制器造成影响。
2. 需要电气隔离的场合采用隔离技术的场合主要有两种:一种是在有可能存在损坏设备或危害人员的应用中进行电气隔离,如医疗上的应用、电机控制、总线隔离等方面。第二种情况是:必须避免存在不同电位和分裂的接地回路的互联。两种情况都是采用隔离来避免电流流过,而允许两点之间有数据或者功率传送。
在许多嵌入式系统的应用中,经常需要数据链路之间进行非直接的导电连接,从而避免来自系统某一部分的危险电压(或电流)对其他部分造成破坏。或者避免系统中某一部分电路损坏时连带对其他电路造成影响造成破坏,是整个系统瘫痪。造成这种破坏的原因可能是电源供电故障、接地故障、雷击和浪涌等各种故障。
此外,在通信节点的通信系统中,不同的节点可能位于不同的区域,并采用独立的供电系统,这些区域之间的电位差(可能含有DC偏压、AC谐波和各种瞬态噪声等)也有可能造成破坏。在实际工程应用中,还有可能发生通信电缆损坏以及人为的一些错误等,是通信线路出现重大错误,如果各通信节点没有和通信线路之间进行隔离则有可能出现通信节点的损坏,因此在嵌入式系统的工业应用中,需要和多个节点进行通信的通信接口一般是需要进行电气隔离的。
3. 电气隔离的类型根据隔离的信号类型不同,电路隔离主要有:模拟电路的隔离、数字电路的隔离、数字电路与模拟电路之间的隔离。所使用的隔离方法有:变压器隔离法、脉冲变压器隔离法、继电器隔离法、光电耦合器隔离法、直流电压隔离法、线性隔离放大器隔离法、光纤隔离法、A/D 转换器隔离法等多种,本小节将介绍在嵌入式系统中应用最为广泛的几种隔离方法。
1.1.2 供电系统的隔离 1. 交流供电系统的隔离由于交流电网中存在着大量的谐波,雷击浪涌,高频干扰等噪声,所以对由交流电源供电的控制装置和电子电气设备,都应采取抑制来自交流电源干扰的措施。采用电源隔离变压器,可以有效地抑制窜入交流电源中的噪声干扰。但是,普通变压器却不能完全起到抗干扰的作用,这是因为,虽然一次绕组和二次绕组之间是绝缘的,能够阻止一次侧的噪声电压、电流直接传输到二次侧,有隔离作用。然而,由于分布电容(绕组与铁心之间,绕组之间,层匝之间和引线之间)的存在,交流电网中的噪声会通过分布电容耦合到二次侧。为了抑制噪声,必须在绕组间加屏蔽层,这样就能有效地抑制噪声,消除干扰,提高设备的电磁兼容性。随着技术的进步,国外已研制成功了专门抑制噪声的隔离变压器(NOISE CUTOUTT RANSFORMER,简称N C T),这是一种绕组和变压器整体都有屏蔽层的多层屏蔽变压器。这类变压器的结构,铁心材料,形状及其线圈位置都比较特殊,它可以切断高频噪声漏磁通和绕组的交链,从而使差模噪声不易感应到二次侧,故这种变压器既能切断共模噪声电压,又能切断差模噪声电压,是比较理想的隔离变压器。
由于在嵌入式系统的应用中,主要的控制电路部分都是采用的直流电源,因此在普通的应用中交流供电的隔离只需要普通的变压器即可,在有特殊需求的系统中需要额外考虑。
2. 直流供电系统的隔离当控制装置和电子电气设备的内部子系统之间需要相互隔离时,它们各自的直流供电电源间也应该相互隔离,其隔离方式如下:第一种是在交流侧使用隔离变压器;第二种是使用DC/DC 隔离变换器。