强大的数字隔离提高了高压应用的安全性

只要供电电路有可能与其他电路、硬件和基础设施或人类用户发生交互，就有可能出现破坏性的过电压情况。将电流与潜在的相互作用点进行物理或电子隔离（通常称为电隔离），对于电路的安全和持续运行至关重要。隔离还能减少输出信号中不必要的噪声。

隔离要求在机器人、高压电网设备、工厂车间设备、汽车应用和消费产品中十分普遍。在设计隔离系统时，还需要考虑应用的特殊性，如输入电压可变、使用电池供电或需要紧凑的封装等。

要选择正确的隔离元件，设计人员需要了解各种隔离器结构的优缺点和构成。有了这种认识，他们就能在电子设计中采用最有效、最可靠、最节省空间的隔离器。

认识隔离器

电隔离可以通过多种方式实现，但它们都有一个共同的基本原理：初级侧的高电压输入通过一些物理屏障与低电压、低电流的次级侧隔离。隔离栅的细节以及通过隔离栅传输电力、信号或两者的方法取决于隔离器的类型。

光耦合器使用 LED 将初级侧的信号从电脉冲转换为光子。在次级侧，光敏元件（如光电晶体管、光电二极管或光电场效应晶体管）接收光子，并将其转换为电信号。除了对初级和次级电路进行物理隔离外，光耦合器还能自动消除输出信号中不必要的噪声，并防止接地回路。

在磁耦合器中，变压器初级侧绕组上的电压会产生磁场。该磁场会在次级侧的绕组上产生感应电压，从而在保持电隔离的同时传输电信号。变压器可以在一个铁芯上有两个独立的绕组，也可以是两个电感器，每个电感器都有一个绕组，绕在自己的铁芯上，中间用绝缘材料隔开。设计人员之所以选择磁耦合，是因为它具有高电压能力、相对较快的响应时间以及滤除信号噪声的能力。不过，还应考虑隔离器的尺寸、发热的可能性以及电磁干扰的产生。

容性耦合器采用了电容器，由介电材料隔开的两个电极组成。输入电压会在初级侧电极上积累电荷。这就产生了一个电场，并在次级侧电极上感应出电压。容性耦合器以体积小、功耗低、对输入变化反应迅速而著称，因此在跨隔离栅传输电信号时既方便又高效。设计人员必须采取措施保护容性耦合器，使其免受超出其能力的输入电压、环境湿度和介质击穿的影响。

部署数字隔离器

上述任何一种隔离器类型都可以集成到集成电路 (IC) 上的数字隔离器系统中。这些拓扑结构可与电源模块或信号传输元件进一步集成，在单个芯片上形成完整的数字隔离系统。常见数字隔离器系统拓扑结构有反激式、半桥式和推挽式。

反激式电源采用的就是一种磁隔离形式，它通过将分流电感器与降压-升压转换器相结合来构建出变压器，从而提高或降低直流 (DC) 输入的电压，以匹配所需的输出。降压-升压转换器的反馈由三级电感绕组或光耦合器提供。建议在低功耗应用中使用反激式电源，但设计人员必须注意可能会产生不必要的 EMI。

半桥（H 桥）设计包括一个 H 桥方波发生器、一个包含两个电感器和一个电容器 (LLC) 的谐振电路，以及两个可提供所需直流输出电压的整流器。与某些设计相比，整流器可实现更高的输出功率，建议中功率应用采用 H 桥式隔离设计。

推挽式隔离电源使用两个变压器进行磁耦合。两个开关交替切换变压器来接收输入电压。次级侧的两个全桥整流二极管可预测电压变化，并将其调节为对称输出。

为了加强控制，设计人员可以选择在推挽式装置中添加变压器驱动器。该驱动器集成了振荡器、分频器和逻辑控制器，用于协调开关以先开后合 (BBM) 模式打开和关闭。这种模式可产生相对恒定的输出信号，同时保护内部和下游元件不会因同时连接两个开关而损坏。

带有变压器驱动器的系统还可使用低压差线性稳压器 (LDO) 控制输出，以取代整流二极管或增强其功能。压差是输入电压和输出电压之间的最小差值，低于该值时，电路就无法充分调节输出。在 LDO 中，这种差异极小，可确保在宽输入电压范围内可靠运行。

向 LDO 倾斜

LDO 包含一个场效应晶体管、一个差分放大器和一个带隙电压基准。差分放大器将输出电压与参考电压进行比较，如果两者之间的差值过高，放大器信号就会触发 FET，以调整电路电阻，从而保持输出电压稳定。

在为数字隔离应用选择 LDO 时，除了压差外，还应考虑其他几个规格，包括负载和线路调节、电源抑制比 (PSRR)、输出噪声和静态电流 (I_Q)。负载调节是指 LDO 在保持稳定输出电压的同时处理输入电流变化的能力，而线路调节则涉及输入电压的变化。许多规格还引用了 PSRR，它衡量的是稳压器管理整流交流 (AC) 输入纹波的能力。

设计人员还希望确保将输出噪声降至最低。低 I_Q（稳压器内部电路工作所需的电流）简化了系统，并延长了移动应用中的电池寿命。

3PEAK 的 TPL8031Q-S 就是专为电池连接系统设计的 LDO（图 1）。这款稳压器可产生 3.3 V 或 5 V 的固定电压输出，精度为 ±2.5% 。5 V 输出版本的最大压差为 720 mV，3.3 V 输出版本的最大压差为 900 mV。

图 1：低压差线性稳压器 (LDO) 为汽车电子控制单元等数字隔离系统提供了可靠的输出电压。（图片来源：3PEAK）

TPL8031Q-S 稳压器可承受 3 V 至 42 V 的输入电压和最高 45 V 的瞬态电压，并能输出最高 300 mA 的电流。同时，它们的功耗很低，典型的 I_Q 为 3 µA。内部电流限值通过停止电压调节来保护稳压器免受接地短路等故障情况的影响。此外，如果稳压器的内部温度达到热关断 (TSD) 阈值，过热保护功能会关闭稳压器，并允许稳压器在充分冷却后恢复运行。

可靠性、低功耗和高电压能力使得 TPL8031Q-S 稳压器成为许多依赖电池供电的空间受限型汽车应用的理想 LDO 候选产品。具体应用包括电子控制单元 (ECU)、域和车身控制模块、单片机和收发器、内部和外部照明、信息娱乐系统、仪表盘以及由汽车电池供电或与之相连的其他子系统。

结语

以汽车应用为例，这些系统需要强大的数字隔离功能，以保护精密电子设备免受过压影响，并确保人类操作员、乘客和其他与系统接触的人员免受危险电压的影响。有许多电源和信号隔离组合可以实现这一目标，而 LDO 则是这些精心设计的数字隔离系统的重要组成部分。