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，而具體實現相應功能的元器件有光電耦合隔離器、電磁繼電器、固態繼電器、數字隔離芯片、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同時集成發光元件和光敏元件的半導體光電子器件，其內部發光元件接受外部電信號發光，光敏元件接收光信號而產生電信號，以此來實現電信號的傳輸，其是以光為媒介達到將輸入信號與內部電路隔離開來,如圖1 所示，或是把內部輸出信號與外部電路隔離開來，如圖2 所示[1]。當前多數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：有靜態損耗，功率驅動（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有較大影響。

圖1 外部輸入與內部電路的隔離

圖2 內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，其從物理上實現了電子線路中強電和弱電信號之間的絕對隔離，實現了抗干擾隔離。

優點：簡單實用，價格低廉，隔離為物理隔離，無靜態損耗。

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，超出規定范圍，會造成觸點損傷或切換出現異常，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境力學條件各異，不能選用超過產品標準規定的環境力學條件下使用，可按比整機的環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，且其線圈匝數較少，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。優點：價格相對較低，使用簡單，且為無源，環境適應能力強。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，同時要統籌兼顧其安放空間，來決定需要選用的路數。

圖4 脈沖變壓器示意圖

4 固態繼電器

固態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，磁或光特性實現可靠隔離，可實現無觸點開關的功能，其可實現功率驅動，可靠性較高，但存在靜態損耗大，體積較大。優點：可靠性高，內部使用的部件非機械部件，可在沖擊環境下穩定運行，壽命長；其切換速度較快，且本身不產生電磁干擾，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，靜態功耗相對較高，在一些場合不適用。

在選擇固態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定的絕對最大值，在環境溫度升高時需要降額使用；

④固態繼電器在關斷時，負載與電源沒有完全隔離，此時應考慮安全性等問題。

5 數字隔離芯片

數字隔離芯片的發展時間不長，但是發展速度較快，用途越來越廣泛，尤其需要更高隔離性能的數據測量、數據通信等領域，在低頻電子線路中用的較少。數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 數字隔離器系列，有標準數字隔離器、集成PWM 控制器和變壓器驅動器的數字隔離器、USB2.0 兼容型隔離器和隔離式I2C 數字隔離器等。數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；由于其在內部集成有微型變壓器，故在有強磁場環境中性能易受影響，且其驅動能力相對較低。在選用數字隔離芯片時應注意由于其內部結構的特殊，在系統中使用可能存在EMI 問題，同時注意隔離特性參數的理解和選擇，以免產生安全問題。

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缺點及選用注意事項作了概括性的論述，但實際設計產品時，還要對電氣產品的內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的隔離部位，并兼顧其它一些電子線路設計原則，才能設計出性能優異的電子產品。