嵌入式系统的电气隔离 (3)

最为常用的光电隔离电路如所示,应用最为普遍的光电耦合器如东芝TLP521等都可以使用此电路,电路的输入端使用一个限流电阻,输出端使用一个分压电阻,当左侧输入端输出高电平点亮LED,右侧接收到光信号后电阻变小,输出端输出低电平,否则输出高电平,如果要使输入输出端电平状态一致可以将左侧改为灌电流输入的方式或者将右侧分压电阻接地连接。此电路还可以用于电平的转换,LED发射端通过限流电阻的配合可以承受比较宽的电压范围,因此可以通过两侧不同的工作电压来实现不同的电平转换,这种形式经常应用在一些开关量的获取等应用中。

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图 7‑4 典型光耦隔离电路

由于很多功率驱动电路经常需要进行电气隔离,因此将驱动电路与光电耦合器结合就成为具备功率驱动功能的光耦,如东芝公司的TLP250,其内部结构如所示。光耦采用8脚DIP封装,有一个光耦和一个推挽输出电路组成,最大可以输出1.5A电路,可以直接驱动IGBT、MOSFET等功率器件,极大的方便了电路的设计,类似的产品还有安捷伦公司的HCPL-3120具备最大2.5A的输出电流。

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图 7‑5 TLP250内部结构

普通的光电耦合器由于完成光电的转换需要一定的时间,只适合在通信速率要求不高的情况下使用,如上文介绍的TLP521,在串口应用中9600kbs以下的波特率还能够正常工作,再高的波特率就无法使用,因此在需要对高速信号进行隔离的场合需要使用针对高速隔离设计的高速光耦,6N137光耦合器是最常见的用于单通道隔离的高速光耦合器,其内部有一个850 nm 波长AlGaAs LED 和一个集成检测器组成,其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。具有温度、电流和电压补偿功能,高的输入输出隔离,LSTTL/TTL 兼容,高速(典型为10MBd),5mA的极小输入电流,转换速率高达10MBit/s非常适合用于各种高速通信接口等高速数字信号的隔离。与6N137类似的还有HCPL-2601/2611,双通道的HCPL-2630/2631等。其封装以及内部结构如所示。

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图 7‑6 高速光耦封装以及结构示意图

由于光电耦合隔离本身的一些特点,他还存在几个比较严重的缺点,同本节前面介绍的进行隔离设计所需要考虑的几个问题,光电隔离技术的缺点有:

(1)功耗大,由于需要LED进行信号的传输与转换,LED发射端需要约10mA左右的电流,路数较多时功耗大的缺点尤为明显。

(2)电路设计复杂,以电路结构较为简单的TLP521为例,进行一路信号的隔离就需要使用一个DIP4封装的芯片和两个电阻,在进行多路信号的隔离时会使电路设计、PCB布线更为复杂。

(3)通信速度受限,难以通信速率更高的应用。

(4)LED老化等影响隔离器件的使用寿命。

然而,由于光电隔离具有成本低、使用灵活等优势,仍然在嵌入式系统的设计中有着广泛的应用,很多情况下仍然是首选的隔离方式。

2. 电磁隔离

与光耦合一样,电感耦合也有较长的应用历史,但通常仅用于电源或模拟隔离器,而非数字器件。电感耦合使用不断变化的磁场来通过隔离层实现通信。变压器是一个最常见的例子:初级绕组及次级绕组的结构(单位长度的圈数)、磁芯介电常数以及电流强度决定了磁场强度。电感耦合的优势之一是可以在不明显降低差模信号的情况下最小化变压器的共模噪声。另一个优势是信号能量的转换效率极高,因而可以实现低功耗隔离器。

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