如何将隔离式电源模块应用于信号隔离

Vince Wen

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信号传输无处不在。例如在工业应用中，电动汽车 (EV) 充电站和带有可编程逻辑控制器 (PLCs)的自动化系统都可能存在对人体造成危险的高电压（高达几千伏）。这种危险的高电压可能穿过信号线，造成信号干扰，并最终损坏终端电子设备。

让信号和电源通过隔离屏障将有助于解决这个问题。本文将介绍串行外设接口 (SPI) 以及 RS-232、RS-485 和 CAN 接口通信的信号隔离，同时以MPS简单易用的超小尺寸电源模块解决方案MIE1W0505BGLVH为例，说明如何将隔离式电源模块应用于信号隔离。

隔离简介

同时传输电源和信号并确保其隔离对工程师来说是一项挑战，因为隔离对人身安全、系统保护和信号完整性都至关重要。

安全性: 工业机器人、电动汽车充电站或医疗设备等应用都用到了高达千伏的电压水平，而人类只能承受约36V的电压。隔离可以保护用户免受危险的高电压伤害。
系统保护: 隔离技术可以保护重要设施和电子设备免受浪涌电压造成的损坏。
信号完整性: 信号传输可能受外部电磁干扰（EMI）的影响，而隔离将有助于保持信号的完整性。

半导体隔离技术

半导体 IC 具有集成隔离屏障，可在电气系统中提供隔离功能。采用隔离式 IC 是一种简单的方法，它可以构建高压、大功率系统而无需添加隔离电路。常见的半导体隔离技术包括：

光隔离: 光耦合器是一种无源元件，它可将电信号转换为光信号，然后再将光信号转换回电信号。在这个过程中，电信号可以通过光学载体（例如发光二极管LED）传输。光耦合器广泛应用于反激式电源设计和其他信号传输场景。
容性隔离: 电容可以阻止直流电流的流动，同时让交流电流通过。利用这一特性，在信号流经电容时对其进行调制，就可以实现信号传输过程中的隔离。光隔离中的LED需要较大的偏置电流，而容性隔离仅需要少量的偏置电流。此外，容性隔离还具有更高的传输速度、更低的传播延迟和强大的抗电磁干扰能力。
磁隔离: 电源和信号还可以通过磁线圈产生的磁场耦合来传输。磁隔离通常采用变压器来实现，多用于开关电源和电源模块设计。

如何将隔离式电源模块应用于信号传输

信号传输有多种类型，其中包括SPI、RS-485、RS-232和CAN。在大功率工业应用中，当信号从一个硬件系统传输到另一个硬件系统时，硬件系统会不可避免地受到危险的高电压影响。

这些高电压还会破坏信号链。因此，必须使用信号隔离器和隔离式电源模块。如图 1所示，本文将介绍如何将隔离式电源模块用于信号传输（SPI、RS-485、RS-232 和 CAN）。

图1: MPS隔离式电源模块

串行外设接口(SPI)

SPI 是一种高速全双工通信模式，可通过4个信号通道（3 个正向和 1 个反向）传输信号（见图 2）。信号可以从主机传输到从机，也可以反向传输。要实现信号传输过程中的电气隔离，设计人员可以在主设备微控制器 (MCU) 和从设备（收发器）之间添加电气隔离屏障。

图2: 带电气隔离屏障的SPI通信接口

电气隔离屏障可以通过数字隔离器（如MP27631）和隔离式电源模块（如 MIE1W0505BGLVH）来实现（见图 3）。信号隔离器在提供隔离的同时允许信号通过；但它是有源元件，需要在其原边和副边施加偏置电压。MIE1W0505BGLVH 是新一代高性价比的隔离式电源模块，它具有出色的 EMI 抗扰度以及线性和负载调整率。该电源模块采用超小尺寸 LGA (4mmx5mm) 封装，支持高达 2.5kV 的隔离电压。

图 3：由隔离式电源模块和信号隔离器组成的 SPI 通信隔离屏障

RS-485

在 RS-485 协议中，信号在双绞线中以差分方式传输（其中线 1 = A线，线 2 = B 线）。 A线和B线之间定义了两个逻辑电平，正逻辑电平范围为+2V至+6V，负逻辑电平范围为-2V至-6V。这两个逻辑电平等效项实现了系统状态的启用和禁用。差分传输极大地提高了系统的 EMI 抗扰度。这种传输方法需要 3 个信号通道，它广泛应用于运动控制和控制系统处理等工业应用（见图 4）。

图 4：由隔离式电源模块和信号隔离器构成的 RS-485 通信隔离屏障

RS-232

RS-232 协议是一种简单的点对点通信协议（见图 5）。与RS-485相比，RS-232的传输速度较慢，距离也较短，在老一代 PCB 中应用较为广泛。

图 5：由隔离式电源模块和信号隔离器构成的 RS-232 通信隔离屏障

CAN

CAN协议由德国博世公司开发，具有高可靠性和高性能。与RS-485相比，CAN总线的实时通信速度更快、更稳定。与此同时，CAN 拓扑结构更简单，它只需要两个信号通道（见图 6）。CAN通信协议广泛应用于汽车、医疗和工业设备等高可靠性应用。

图 6：由隔离式电源模块和信号隔离器构成的 CAN 通信隔离屏障

实际应用中的隔离式电源模块

我们以实际应用为例来说明如何使用隔离式电源模块。

PLC系统

PLC 是专为工业自动化系统设计的数字控制单元。PLC中包括 CPU、存储器、I/O、电机驱动器和电源。它是工业自动化系统的大脑，可以控制机械运动，通过传感器检测气体压力、温度，通过人机界面（HMI）与人交互，并实现与其他电气设备的数据通信。MIE1W0505BGLVH等隔离式电源模块可以通过 RS-485 接口或 I/O 接口为数据通信链提供强大的电源。图 7 显示了 PLC 的功能框图。

图7: PLC功能框图

电动汽车充电站

新能源正在重塑整个世界，在人们不断寻求可持续能源的过程中，电动汽车 (EV) 也会更加普及。充电站从电网中获取电力，再提供给电动汽车电池用于充电。电网的输出电压(V_OUT)或充电站的输入电压(V_IN)最高可达480V_AC，非常危险。MIE1W0505BGLVH 等隔离式电源模块能够提供高可靠的隔离技术，保护驱动器甚至汽车电子设备免受高电压的影响。图 8 显示了电动汽车充电站的功能框图。

图8:电动汽车充电站功能框图

电动自行车（E-Bike）

经济快速增长的人口稠密城市面临着交通拥堵的问题，这增加了人们的通勤时间，增加了碳排放，还可能发生事故导致受伤。电动自行车则是一种新兴且便捷的交通方式，尤其适用于短距离交通。 MIE1W0505BGLVH 等电源模块可以保护骑行者免受E-Bike 48V 电池组的伤害，同时还能保持信号通信接口的信号完整性。图 9 显示了电动自行车的功能框图。