电源工业

在我们设计单电源工业机器人的过程中系统总是存在高压差，对我设计带来了许多的不便之处那么我们应该如何解决呢？

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电流隔离栅

电流隔离是通过防止电压和接地之间产生电流来分隔电路的行为。以下是从两条或多条电路之间的直接连接形成的电流。

在存在电流隔离情况下，没有直接的传导路径。此类型电路的好处在于，可通过使用光场、磁场或电场，利用电流隔离栅交换模拟或数字信息。这些场打开了很多门。通过其中的一个门，多个系统可以在不同的接地和电压电位下安全、正确地运行。它们还可以交换模拟或数字信息，而不会在过程中相互干扰或破坏。

为了解决这些问题，设计人员需要为多系统电路找到合适的电流隔离技术。选择有光学（LED，光电二极管）、电气（电容器）或磁性（电感器）解决方案。在本文中，所有隔离栅都在硅或半导体封装的某个部分中实现。

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光学隔离

光学隔离依赖于传输光线的 LED 和接收光线的光电检测器之间的分离。对于电流隔离，LED 通过隔离材料（如透明聚酰亚胺）对准光电二极管。

光隔离的优势是不受电场和磁场的影响。但是，LED 在其使用寿命内会老化。

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光隔离栅模拟信号应用

光隔离设备的隔离栅能够传输模拟或数字信号。Vishay Semiconductor Opto Division IL300 线性光耦合器是一种线性光隔离器件，封装内部有一个 LED 和两个光电二极管，所有元件之间彼此实现电隔离。在 IL300 芯片中，LED 光均匀照射在两个光电二极管上，以产生同等的电流（IP1 和 IP2）。

U1 放大器（Texas Instruments，TLV9064IDR）驱动 IL300 LED 以产生反馈光电二极管电流 (IP1)。前馈光电二极管电流 (IP2) 通过隔离式 R2 电阻器发送，该电阻器位于隔离式 U2 放大器的反馈环路中。在此电路中，增益等于 R2/R1。另外，Vout信号不受 VCC1相对 VCC2的变化和两个接地的影响。

LED 亮度随时间的推移会降低。但是，图 4 中的系统不依赖于 LED 的亮度水平；它只要求 LED 打开。LED 光线由两个光电二极管平均地捕获。要将 IL300 应用于图 1 中的框图，人机接口 (HMI) 与机器人控制器之间的位置可能较为适合。

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光隔离栅的数字信号应用

光耦合器的另一个应用是将设备用作数字发射器。Vishay Semiconductor Opto Division 的 SFH6750-X007T 双通道光耦合器和 QT Brightek 的 QTM601T1 单通道光耦合器是高速光耦合器，采用开漏 NMOS 晶体管输出，可轻松隔离模数转换器 (ADC) 的三通道数字输出。

一个 24 位三角积分 (ΔƩ) 转换器的串行输出代码从电路的隔离侧传输到系统侧。SFH6750 在数字域中以光学方式完成此传输。

SFH6750 和 QTM601T1 配置提供高达 10 兆波特率 (MBd) 的传输速度，因而适合高速数据应用。从图 1 的框图中可以看出，ADC 接口可能适合放置于人机接口 (HMI) 与机器人控制器之间。

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电感隔离

电感隔离采用两个上下堆叠的线圈，线圈之间通过介电材料隔离开来。施加交流信号后会产生一个磁场，进而在次级线圈中产生一个电场。

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电感线圈型隔离栅的电源应用

磁性隔离栅适用于模拟和电源隔离应用。作为电源转换器，Analog Devices 的 ADP1621ARMZ-R7 隔离式升压 DC-DC 控制器的电感器和外部电源 FET 分别为 T1 和 Q3。

Analog Devices ADUM3190ARQZ-RL7 高稳定度线性隔离式误差放大器提供了从 T1 的次级侧到初级侧的模拟反馈信号。整个电路的工作电压为 5 V 到 24 V，适用于标准工业电源。

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电容隔离

电容隔离元件的构造包括紧密相邻的两块电容板，两板之间夹有电介质。二氧化硅 (SiO2) 材料可植入电容板之间，以产生这种隔离能力。在此配置中，SiO2的击穿电压为 500 - 800 V/微米 (µm)。此类隔离器的典型距离为 27 µm，因此隔离栅隔离能力为 13.5 kV 至 21.6 kV。

电容隔离最适合于小空间应用。然而，其周边电路比光学和磁性解决方案更为复杂。

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电容隔离栅的模拟应用

典型的电容模拟隔离器Texas Instruments AMC1301DWVRQ1 或 AMC1311DWV，接收模拟信号，将信号调制为数字表示，然后通过隔离栅传输数字化信号。

在隔离栅的接收器侧，信号被解调回差分输出模拟信号。

电机控制环境中的电感负载易受高开关电压摆动的影响。为确保正常运行，需要不断监控此频繁变化的环境。使用电阻分压器降低电机驱动电路中的高共模电压的隔离电压检测，就是相应的 AMC1301 和 AMC1311 隔离放大器电机控制应用。

通过分流电阻器 RSHUNT和 AMC1301 隔离式放大器实现相电流测量。凭借高阻抗输入和高共模瞬态抗扰度，AMC1311 可感测偏置电压 VBIAS，从而实现系统配置的稳定读取。即使在高噪声环境下，AMC1311 也能确保可靠性和准确度，例如电机驱动器中所用变频器的功率级读取。

AMC1301 和 AMC1311 均可抗电磁干扰，并具有高达 7 kVPEAK的电流隔离能力。当与隔离式电源配合使用时，AMC1301 和 AMC1311 可防止高共模电压线路的噪声电流进入本地接地，以免干扰或损坏敏感电路。

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电容隔离栅的数字应用

在准备将直流信号传输至输出引脚的过程中，典型电容式数字隔离器接收数字信号，将信号调制为适当的交流信号，然后发送至解调器。

只要传输信号保持高电平，就可以在接收器侧生成高电平数字传输信号。此逻辑中的冲突是，如果电荷从电容板上消散，或者如果接收器端出现电源中断，输入状态为高电平时，输出可能会变为零。如果发生这种情况，接收器数字信号高电平状态会丢失。为了解决此问题，调制器为数字“0”创建单个低电压，并为数字“1”创建一个快速交流轨至轨信号。

一个电容式数字隔离实例就是，使用 Silicon Labs SI8422 和 SI8423 数字耦合器连接微控制器和 ADC 之间的数字线路。

电容式数字设备消耗的功率较低，同时提供高数据速率和低传播延迟。两款器件均支持高达 150 兆位/秒 (Mbits/s) 的数据速率。

在工业自动化应用中多系统存在处理模拟和数字传输信号的困难，光学、磁性和电容电隔离栅可应对这些挑战。通过组合使用这三种硬件技术和两种信号传输技术，可实现适合的工业自动化解决方案。

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肖斌，现任中国电源工业协会专家工作委员会委员；中国电子节能技术协会电能系统分会常务理事；中国机电一体化技术应用协会电能系统分会副秘书长；高级工程师。多年从事数据中心产品市场、服务与应用技术支持，具备丰富的产品市场运作工作经验，目前专注于数据中心整体解决方案的设计、规划与建设。曾参与东航、远望7号、携程网等多项大型数据中心产品项目的招投标和设计建设工作。参与、编著《高频机型UPS技术及应用》、《云机房供配电系统规划设计与运维》等多本专业书籍。

中国电源工业协会

中国电源工业协会是经中国政府批准成立，由立志于蓄电池储能电源系统关键技术及电力电子电源系统设备自主创新发展，从事蓄电池储能电源系统技术、电力电子电源系统设备和相关制造工艺及电源产品研究、开发、生产、制造、服务的企、事业单位自愿组成的非营利性、全国性社会组织。致力于在电源工业生产企业与科研院所、高等院校之间、上下游产业之间建立有效运行的产学研合作新机制，实现成员的共同发展。

关于CEID2018电子电器行业信息化论坛

CEID2018电子电器行业信息化论坛是CEID2018中国企业信息化发展论坛的分论坛之一，CEID2018中国企业信息化发展论坛设置了快消品行业信息化发展论坛、电子电器行业信息化发展论坛、医药健康行业信息化发展论坛、能源化工行业信息化发展论坛四个专场，届时将集结四大行业优秀CIO/CEO/CFO/CMO，共同探讨企业信息化发展方向。