概述

设计人员经常需要在高共模电压下测量小电压，尤其是使用电源和电机驱动时。这与使用传感器时的接地回路问题有关，这两个问题都可以通过有效使用隔离放大器来解决。

隔离放大器在其输入和输出之间提供电流阻断，从而仅传输所需信号，消除高共模电压。在基于传感器的监测系统中，隔离放大器保持传感器之间的接地隔离，以消除接地回路。隔离放大器广泛应用于电源、电机控制器、远程电压检测、生物医学测量和远程数据采集。

为了解释隔离放大器的工作原理以及如何有效应用，本文将描述一个需要隔离的典型场景，然后讨论三种常见的隔离方式：变压器耦合、光耦合和电容耦合。在讨论过程中，本文将介绍每种方法的实际解决方案，最后给出一个使用参考设计的例子。

典型电源场景

现代电源和电机驱动需要测量高共模电压下的小信号。设计师如何使用阻性分流来测量偏置电压超过300V的推挽式FET功率驱动器的负载电流(图1a)？

图1:在高共模电压下测量小压降(a)和消除接地环路(b)是一种需要隔离的常见电路应用。(来源：Digi-KeyElectronics)

上部(a)电路是典型的功率驱动器，用于控制电机或电机相位。它通过改变传输到负载的脉冲波形的占空比来控制功率。电源电压(HV和HV-)约为几百伏。分流电阻RSHUNT上的电流检测电压约为几十毫伏，但它取决于HV和HV-之间摆动的脉冲波形。如果将此电压施加于接地仪器或电流检测放大器的输入端，它将超过共模电压限值，并可能损坏器件。

同样，设计师如何在多个太阳能电池组成的电池组上测量单个电池单元的电压输出？一旦共模电压超过80V，就需要采取一些电气隔离措施来分离目标信号。

还要考虑如何将电路与接地环路隔离开来(图1b)。信号通过同轴电缆从左边的发射机源连接到右边的接收机。来自其他电路的杂散接地电流可能会通过连接到两条接地线的同轴屏蔽找到回路。这将在电缆屏蔽层的串联阻抗上产生一个电压，导致VG2不同于VG1，从而在接收器输入端产生误差。

这两种应用都需要信号连接的隔离能力。解决方案是使用隔离放大器在输入和输出之间提供电流隔离。隔离放大器仅传输所需信号，并消除高共模电压。隔离放大器可以消除系统中的接地回路，保持电路元件之间的接地隔离。

隔离放大器工作原理

隔离放大器是隔离其输入和输出电路(包括相关电源)之间电位的放大器。这确保了输入和输出部件之间没有导电路径。两部分之间的漏电流极低，介质击穿电压很高。输入级是一个差分放大器，用于衰减共模电压。它之所以能够做到这一点，是因为输入之间的差异小于1V，并且放大器是悬空的，不基于地。通过精心设计和布局，器件之间的杂散电容耦合降至最低，从而不影响隔离。器件之间的隔离由变压器、电容或光耦合提供(图2)。这些耦合方法通常会阻止信号的DC和低频成分。通过用输入信号调制载波并传输全部信号频谱，然后通过在设备输出端解调来恢复它，可以避免上述缺点。输入和输出端都使用隔离电源。

图2:通用隔离放大器，显示了三种常见的隔离方法，包括变压器耦合、电容耦合和光耦合。(来源：Digi-KeyElectronics)

使用的调制技术取决于器件，但通常使用频率调制、脉宽调制和三角积分调制。三角积分调制是最常见的。输入为差分，输出配置可以是单端或差分。注意，隔离放大器的输入和输出部分有单独的电源连接。一般来说，输入部分使用一个& quot浮动& quot不基于地面的电源。保持良好的隔离性能要求电源隔离良好。

隔离放大器的输入和输出之间的最大额定电压差通常针对连续的DC和交流电压。瞬变的最大施加电压是单独规定的，它与瞬变条件的时间有关。只要物理布局遵循器件输入和输出引脚之间的推荐间距(详见技术规格),这些技术规格就适用。

变压器（磁性）耦合

变压器耦合隔离是历史上最古老的电路隔离方式。AnalogDevicesAD202JY是一款磁耦合隔离放大器(图3)。

图3: AnalogDeviceSad 202JY利用变压器耦合和15V非隔离单电源实现1000V DC隔离。(来源：AnalogDevices)

AD202JY的最大隔离电压额定值为750VRMSAC(60Hz)和1000VDC，外加连续交流电。它使用双变压器，第一个用于信号路径。第二个将25kHz载波从输出耦合到输入，它也是调制器的载波。它还用于为输入部分产生双隔离电源输出，从而满足单独隔离电源的需求。

放大器的增益由用户设置，范围为1至100V/V，其全功率带宽为5kHz。输出级为无缓冲差分输出，可提供5V电压。

光耦合是在隔离放大器的输入和输出之间提供隔离的另一种可能的方法。隔离放大器的输入部分驱动一个发光二极管(LED)，其发出的光由输出部分的光电晶体管接收(图4)。该链路是完全光学的，并且LED和光电晶体管之间没有电连接。

图4:4:broadcomacpl 790 x隔离放大器系列的功能原理图显示了利用光链路在输入和输出之间提供电气隔离的方法。(来源：博通有限公司)

BroadcomACPL790系列

隔离放大器将出色的光学耦合、三角积分转换器技术和斩波稳定放大器相结合，提供高压隔离、差分输出和200kHz带宽。其IEC/EN/DINEN60747-5-5工作绝缘电压为891V（峰值）。该系列有三款精度规格不同的产品。ACPL-7900精度为3%，ACPL-790A精度为1%，ACPL-790B精度为0.5%。

容性耦合

TexasInstrumentsAMC1301隔离放大器代表第三种获得隔离的方法，即容性耦合（图5）。

图5：TIAMC1301增强型隔离栅的每个分支使用两个串联电容器以提供容性隔离。（图片来源：TexasInstruments）

AMC1301是差分输出隔离放大器，隔离电压额定值为1500V（峰值）。隔离放大器的输入级由差分放大器组成，后者驱动三角积分调制器。隔离时钟（载波）从内部派生。发射器(TX)驱动器将数据传输到双电容器隔离栅的另一侧。接收的调制数据经解调后，在低压侧与时钟同步，输出为差分信号。AMC1301具有8.2的固定增益，标称带宽为200kHz（典型值）。

如前面所讨论的一样，AMC1301的输入和输出侧需要隔离电源。

AMC1301参考设计

TexasInstruments(TI)以TINA-TI仿真为AMC1301隔离放大器，提供了一个参考设计示例（TINA-TI是TexasInstruments提供的免费电路仿真器）。该电路有一个200mV（峰值）、5kHz信号作为仿真输入，而共模电压为500V。差分输出的峰值幅度为1.6V，偏移为0V，驱动一个10kΩ负载。此例展示了隔离放大器从输入信号中消除大共模偏移（本例中为500V）的威力。

图6：TexasInstrumentAMC1301参考设计（在TINA-TI中以仿真运行）是AMC1301为500V共模直流偏移提供隔离的一个例子。（图片来源：Digi-KeyElectronics）

隔离接地回路

隔离放大器输入和输出之间的隔离可用来断开接地回路，例如图1b中所示的接地回路。将隔离放大器放置在发射器和接收器之间，就会断开其间通过同轴电缆形成的接地连接，二者之间没有直接接地路径（图7）。

图7：在发射器和接收器之间插入隔离放大器以消除原始同轴电缆连接造成的接地回路。（图片来源：Digi-KeyElectronics）

总结

无论基于磁性、光学还是容性耦合，隔离放大器都是一种有用的工具，可测量高共模电压上的小信号，或隔离电路接地以消除带宽高达200kHz的系统中的接地回路。隔离放大器普遍应用于电源、电机控制器、远程电压检测、生物医学测量和远程数据采集。