一 行業(yè)現(xiàn)狀
　　繼美國(guó)之后，我國(guó)也將智能電網(wǎng)的發(fā)展提到戰(zhàn)略的層面,。智能電網(wǎng)要求從發(fā)電,、輸電到配電的整個(gè)電網(wǎng)，包括系統(tǒng)和元器件可靠,、安全,，能夠保證供電的連續(xù)性、安全性,，低壓電器為了適應(yīng)智能電網(wǎng)的應(yīng)用,，提高低壓配電與控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性以及自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化是發(fā)展的必然方向,。一旦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化,，低壓電器必須具有雙向通信功能，經(jīng)通信適配器能與各種現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)連接,。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用,，使配電系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)變得更簡(jiǎn)潔、更高效。同時(shí),，低壓電器必須具有更高的動(dòng)作可靠性和承受環(huán)境變化帶來的影響,。
　　由于低壓電器所處的工作環(huán)境非常惡劣（如強(qiáng)磁場(chǎng)，電磁輻射,，瞬態(tài)干擾脈沖,，溫度），低壓電器通信的可靠性受到挑戰(zhàn),；為了保證通信的準(zhǔn)確可靠和系統(tǒng)穩(wěn)定,，通常會(huì)選用一些隔離器件將通訊數(shù)據(jù)在接口上實(shí)現(xiàn)電氣隔離，提高低壓電器工作的可靠性,。
　　二 隔離技術(shù)
　　當(dāng)前的隔離技術(shù)主要有：變壓器,、光耦合器、iCoupler隔離器,、電容隔離以及GMR隔離器,，都提供電流隔離的典型方法，它們能阻斷不共地兩點(diǎn)之間的電流,，同時(shí)允許數(shù)據(jù)順利通過,。所謂“隔離”是用來保護(hù)設(shè)備以防由電源浪涌或接地環(huán)路引起的高電壓或電流而造成設(shè)備損壞或工作失常。如果不采用隔離,，上述電流會(huì)引入噪聲,，降低數(shù)據(jù)傳輸可靠性，甚至?xí)南到y(tǒng)元件,。
　　1. 光耦合器
　　光耦合器是應(yīng)用范圍較廣的產(chǎn)品,，它以光為媒介傳輸電信號(hào)，對(duì)輸入,、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用,，一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大,。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED）,，使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光,，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流,，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換,，從而起到輸入,、輸出、隔離的作用,。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離,，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端是電流型工作的低阻元件,，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力,。光耦合器會(huì)占用很大的空間，傳輸頻率也相當(dāng)有限(最多僅數(shù)十個(gè)Mbps),。更糟的是,，光耦合器的效能還會(huì)隨著環(huán)境溫度的增加而下降。隨著系統(tǒng)溫度升高,，光耦合器的驅(qū)動(dòng)電流需求在許多情形下會(huì)增加一倍,，這是因?yàn)殡娏鱾魉捅?CTR，代表輸入信號(hào)傳送到輸出端的比值)會(huì)隨著溫度從25℃升高至100℃而減少六成,。這會(huì)增加光耦合器驅(qū)動(dòng)電流和系統(tǒng)散熱需求,。
　　2. iCoupler隔離器
　　iCoupler技術(shù)基于芯片級(jí)變壓器，采用晶圓級(jí)工藝直接在片上制作變壓器,。iCoupler變壓器采用平面結(jié)構(gòu),，在晶圓鈍化層上使用CMOS金屬和金構(gòu)成。金層下有一個(gè)高擊穿的聚酰亞胺層,，將頂部的變壓器線圈與底部的線圈隔離開來,。連接頂部線圈和底部線圈的CMOS電路為每個(gè)變壓器及其外部信號(hào)之間提供接口。使用傳送到給定變壓器初級(jí)端的1 ns脈沖對(duì)輸入邏輯跳變進(jìn)行編碼,。這些脈沖從變壓器初級(jí)線圈耦合到次級(jí)線圈,，并且由次級(jí)端電路檢測(cè)。然后,，該電路在輸出端重新恢復(fù)成輸入數(shù)字信號(hào),。此外，輸入端還包含一個(gè)刷新電路,，保證即使在沒有輸入跳變的情況下輸出狀態(tài)也與輸入狀態(tài)保持匹配,。
3. GMR隔離器
　　GMR高速數(shù)字隔離器件是采用GMR巨磁電阻技術(shù)集成的高速CMOS器件。巨磁電阻（GMR）效應(yīng)來自于載流電子的不同自旋狀態(tài)與磁場(chǎng)的作用不同,，因而導(dǎo)致的電阻值的變化,。這種效應(yīng)只有在納米尺度的薄膜結(jié)構(gòu)中才能觀測(cè)出來。在GMR隔離器中,，輸入端信號(hào)在低電感線圈感應(yīng)電流,，產(chǎn)生正比的磁場(chǎng)?？偟拇艌?chǎng)改變GMR的電阻,，通過CMOS集成電路分析，輸出就是輸入信號(hào)的精確重生,。GMR在隔離方面具有兩個(gè)重要的優(yōu)勢(shì),。首先,，GMR電阻的巨大變化提供了一個(gè)更大的信號(hào)。其次,，也許更重要的是,， GMR技術(shù)與集成電路技術(shù)兼容，允許巨磁阻器件可作為一部分芯片的封裝,，這將導(dǎo)致更小,，更快，更精確的器件,。
　　4. 電容耦合隔離器件
　　電容耦合使用不斷變化的電場(chǎng)來通過隔離層實(shí)現(xiàn)信息傳輸,。電容器極板之間的材料是電介質(zhì)絕緣體(二氧化硅)，即隔離層,，這種高性能的絕緣體具有很穩(wěn)定的可靠性和耐用性以及抗磁干擾能力和抗瞬態(tài)電壓能力,。采用電容隔離層的優(yōu)勢(shì)是效率高，無論在體積,、能量轉(zhuǎn)換還是在抗磁場(chǎng)干擾方面均如此,。電容耦合的缺點(diǎn)在于無差分信號(hào)，并且噪聲與信號(hào)共用同一條傳輸通道,。這就要求信號(hào)頻率應(yīng)遠(yuǎn)高于可能出現(xiàn)的噪聲頻率,，以便使隔離層電容對(duì)信號(hào)呈現(xiàn)低阻抗而對(duì)噪聲呈現(xiàn)高阻抗。電容耦合存在帶寬限制,，并需要時(shí)鐘編碼數(shù)據(jù),。
　　三NVE隔離器性能
　　NVE公司于1998年推出了基于GMR技術(shù)的隔離產(chǎn)品，是全球第一家把GRM技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的供應(yīng)商,。圖1是隔離器的內(nèi)部設(shè)計(jì)圖,。在GMR磁電隔離器中，由線圈內(nèi)的電流產(chǎn)生磁場(chǎng),，并通過絕緣勢(shì)壘擴(kuò)展磁場(chǎng),，GMR元件傳感這個(gè)場(chǎng)。由于線圈電路和傳感電路被高介電強(qiáng)度介質(zhì)隔開,，這樣,，在驅(qū)動(dòng)線圈和傳感磁場(chǎng)時(shí)，數(shù)據(jù)(信號(hào))就可以通過這個(gè)器件,；而且線圈電路和傳感電路彼比之間沒有直接的連接通道,，即它們是弧立的，故可以獲得很高的隔離電壓,。給GMR磁場(chǎng)敏感元件鍍上高導(dǎo)磁率坡莫合金軟磁層,，既可以減少外部磁場(chǎng)的干擾,，又可以使片上線圈電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)倍增,。

圖1 隔離器的內(nèi)部設(shè)計(jì)圖
　　磁隔離(IsoLoop)最重要的優(yōu)點(diǎn)是容易與芯片上的電子元件集成,；有可能同其他通信電子元件集成為多通道隔離器，且設(shè)計(jì)和制造工藝較簡(jiǎn)單,。具有以下優(yōu)勢(shì)：
1. 傳送波特率高-----目前設(shè)計(jì)的GMR磁電隔離器,，能夠達(dá)到110Mbps，最高為150Mbps,。而市售的速度最快的光電隔離器的工作速度約為10Mbps,。使用變壓器的隔離器也可以在甚高頻下以25Mbps的速度工作。但是使用這種隔離變壓器時(shí),，必須對(duì)數(shù)據(jù)編碼,，并且不適合于任意的隨機(jī)邏輯傳輸；
　　2. 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換性能高-----2ns脈沖失真,，10 ns典型的傳輸延遲,，4ns典型的傳輸差異。低的脈沖失真,，能夠確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性,；在光耦的應(yīng)用時(shí)，為了達(dá)到這一目的,，都在程序上加入容錯(cuò)的處理,，這樣一旦發(fā)生故障，響應(yīng)的時(shí)間會(huì)增長(zhǎng),?？斓膫鬏斞舆t，能夠是數(shù)據(jù)及時(shí)達(dá)到,，保證系統(tǒng)運(yùn)行在正確的狀態(tài),。
　　3. 安全規(guī)格-----2.5KVrms隔離/1分，30 kV/µs瞬態(tài)抗擾度,，工作溫度范圍-40-125°C,。符合IEC61010-1 UL1577 EN50081-1 EN50082-1。
　　4. 體積小----集成度高,，單芯片最多集成5個(gè)通道,；除了SOIC封裝外，還有更小體積的MSOP,，更好的節(jié)省PCB空間,。
　　四 應(yīng)用
NVE公司推出的IL41050是一款使用單芯片隔離CAN/DeviceNet收發(fā)器，完全符合ISO11898 CAN 標(biāo)準(zhǔn),，集成了一CAN收發(fā)器,，工作溫度范圍-55-125°C，能夠滿足汽車,、工業(yè)自動(dòng)化,、通信等領(lǐng)域,。

圖2 IL41050方案圖
圖2是IL41050的CAN總線隔離方案，用一個(gè)隔離型的DC-DC Converter和IL41050就可以實(shí)現(xiàn),，不需要額外的收發(fā)器,，能夠減少器件，節(jié)約成本,。對(duì)于CAN總線來說,傳輸回路的延遲非常重要 Loop Delay,，IL41050的延遲只有180ns，是一款性能出色的隔離芯片,。
　　此外,，還有很多其他類型的產(chǎn)品，如IL600系列替換光耦的首選,；針對(duì)各種通信接口（RS485,RS232,SPI,I2C等）,，由特定的產(chǎn)品提供更好的隔離解決方案。（各方面的隔離方案）
　　五 總結(jié)
　　在低壓電器越來越智能化,，可靠性要求也越來越嚴(yán)格的情況下,，選擇性能更高、成本更低的隔離產(chǎn)品,，NVE隔離產(chǎn)品滿足這些要求嚴(yán)格的地方使用,，是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。