強大的數位隔離功能為高壓應用添加安全性

凡是在通電電路有可能與其他電路、硬體或基礎設施、使用者接觸的地方，都可能出現有害的過電壓。將電流從可能的交互作用點進行實體或電子隔離 (通常稱為電氣隔離)，可保障電路的安全並維持作業。此外，隔離通常還能減少輸出訊號中的雜訊。

對隔離的需求普遍存在於機器人、高壓電網設備、廠區設備、汽車應用、消費型產品中。在設計隔離系統時，需要考量更多因素，例如可變輸入電壓、電池供電運用、緊湊的覆蓋區需求等。

設計人員需要瞭解各種隔離器架構的優缺點及其組成，以選擇合適的隔離元件。如此便可在其電子設計中納入最有效、最可靠、最節省空間的隔離器。

識別隔離器

電氣隔離可以採用多種方式達成，但都遵循同一基本原理：將一次側較高的電壓輸入與二次側較低的電壓和電流，以某種實體屏障分開。依隔離器的類型決定隔離屏障的細節，以及透過隔離屏障傳輸電力、訊號或兩者的方法。

光耦合器使用 LED，將一次側的電脈衝訊號轉換為光子。在二次側，由光電電晶體、光電二極體、光場效電晶體 (FET) 等光敏元件接收光子，並將其轉換回電訊號。光耦合器除了能實體隔離一次電路和二次電路之外，還能自動消除輸出訊號中的雜訊，並防止接地迴路。

在磁耦合器中，變壓器一次側繞組上的電壓會產生磁場。此磁場會在二次側繞組上感應出電壓，用於傳輸電訊號，同時保持電氣隔離。變壓器可以在單一鐵芯上有兩個獨立繞組，也可以是兩個電感，每個電感在其自身的鐵芯上各有一個繞組，並由介電材料隔開。設計人員選擇磁耦合，可運用其具高壓能力，以及相對快速的響應時間和濾除雜訊的能力。但是，也應考量隔離器的尺寸、熱生成，以及電磁干擾。

電容式耦合器採用電容；電容是一種由介電材料隔開的兩個電極組成的元件。輸入電壓會在一次側電極上累積電荷，產生一個電場，在二次側電極中感應出電壓。電容式耦合器以其體積小、功耗低、對輸入變化響應迅速而著稱，因此便於高效率部署，跨隔離屏障傳輸電訊號。設計人員必須採取保護措施，避免電容式耦合器超過其可承受的輸入電壓、環境濕度、介電崩潰。

部署數位隔離器

上述所有類型的隔離器都能以積體電路 (IC) 整合至數位隔離器系統中。這些拓撲可以進一步與電源模組或訊號傳輸組件整合，在單一晶片上形成完整的數位隔離系統。一些常見的數位隔離器系統拓撲包括返馳式、半橋式、推挽式。

返馳式電源供應器是一種磁隔離電源形式，將分流電感與升降壓轉換器結合，建立變壓器。藉由增加或降低直流 (DC) 輸入的電壓，符合所需的輸出。由三次電感繞組或光耦合器提供升降壓轉換器的回授。返馳式電源供應器建議用於低功率應用，但設計人員必須注意可能產生的有害電磁干擾。

半橋設計包括一個半橋方波產生器、一個包含兩個電感和一個電容 (LLC) 的諧振電路，以及兩個提供所需直流輸出電壓的整流器。相較於一些設計，此整流器可達到更高的輸出功率；半橋隔離設計建議用於中等功率應用。

推挽式隔離電源供應器使用兩個變壓器進行磁耦合。由兩個開關切換接收輸入電壓的變壓器。二次側的兩個全橋整流二極體可以預測電壓變化，並將其調整為對稱輸出。

設計人員可以選擇在推挽式電路中添加變壓器驅動器，達到更佳電路控制。此驅動器整合振盪器、分頻器、邏輯控制器，以先斷後通 (BBM) 模式協調開關的開啟和關閉。這種模式可以產生相對穩定的輸出訊號，同時保護內部和下游組件免受兩個開關同時連接造成的損壞。

採用變壓器驅動器的系統也可以使用低壓降線性穩壓器 (LDO) 控制輸出；LDO 可以取代或增強整流二極體的功能。壓降電壓是指輸入電壓和輸出電壓之間的最小差值，低於此差值時，電路無法充分調節輸出。在低壓降線性穩壓器 (LDO) 中，這種差異非常小，可確保在寬廣的輸入電壓範圍內可靠運作。

導入 LDO 技術

LDO 包含 FET、差動放大器、帶隙參考電壓。差動放大器將輸出電壓與參考電壓進行比較，如果兩者之間的差異過大，放大器訊號會觸發 FET 調節電路電阻，以保持輸出電壓穩定。

為數位隔離應用選擇 LDO 時，除了壓降電壓外，在應考量其他幾項規格，包括負載和線路調整率、電源拒斥比 (PSRR)、輸出雜訊、靜態電流 (I_Q)。負載調整率是指 LDO 在維持輸出電壓穩定的情況下處理輸入電流變化的能力，而線路調整率則與輸入電壓的變化有關。許多規格書也會引用 PSRR，用於衡量穩壓器在整流交流 (AC) 輸入中管理漣波的能力。

設計人員還希望保持最低的輸出雜訊。較低的 I_Q值 (即穩壓器內部電路運作所需的電流) 可以簡化系統，並延長行動應用中的電池續航力。

舉例說明，3PEAK 的 TPL8031Q-S (圖 1) 是專為電池連接系統設計的 LDO。這些穩壓器可產生 3.3 V 或 5 V 的固定電壓輸出，準確度為 ±2.5%。5 V 輸出版本的最大壓降電壓為 720 mV；3.3 V 輸出版本的最大壓降電壓為 900 mV。

圖 1：低壓降線性穩壓器 (LDO) 為汽車電子控制單元等數位隔離系統提供可靠的輸出電壓。(圖片來源：3PEAK)

TPL8031Q-S 穩壓器可耐受 3 V 至 42 V 的輸入電壓，暫態電壓最高可達 45 V，可輸出高達 300 mA 的電流。此外，具有低功耗，典型的 I_Q 為 3 µA。可透過停止電壓調節，限制內部電流，保護穩壓器不受短路接地等故障影響。此外，過熱保護會在穩壓器內部溫度達到熱關斷 (TSD) 閾值時將其關閉，並在其充分冷卻後允許恢復運作。

TPL8031Q-S 穩壓器具有高可靠性、低功耗、高電壓能力等優點，是許多空間受限且由電池供電的汽車應用之理想 LDO。包括電子控制單元 (ECU)、域和車身控制模組、微控制器和收發器、車內外照明燈、車用資訊娛樂、儀表群，以及其他由車輛電池供電或連接到車輛電池的子系統。

結論

汽車應用展示了系統需要強大的數位隔離，以保護精密電子裝置不受過電壓影響，並確保操作人員、乘客，以及其他與系統接觸的人員不會受到危險的電壓危害。可以採用各種電源和訊號隔離的組合達到隔離效果，而 LDO 是精心設計的數位隔離系統的關鍵組件。