数字隔离器在智能家具设备中的应用

George Chen

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简介

智能家居设备越来越受欢迎。智能恒温器、照明系统、安防系统和家庭娱乐系统已经走进了千家万户，为家居功能提供自动化管理和无线控制，让用户可以通过移动应用程序或数字面板来监控和管理他们的家。然而，尽管智能家居设备存在诸多优势，在日常家庭使用过程中，因为需要接入电源或携带电池供电，用户仍面临着一些日益增长的风险，例如电气故障可能导致的触电、火灾或设备的直接损坏。

那么，如何确保智能家居设备的安全性和可靠性呢？答案是：使用数字隔离元器件保障电气隔离很有必要！

数字隔离器的定义

数字隔离器是一种电子元器件，它可以在两个电路系统之间提供电气隔离，同时又允许数字信号在电路之间传递。通过磁耦合或容性耦合，数字隔离器无需直接电气连接即可跨越绝缘层势垒进行数据传输。

数字隔离器通常用于需要电气隔离以保护敏感电路免受高压、噪声或其他危害的应用。它们可用于电源、电机控制、医疗设备、工业自动化以及其他安全性和可靠性攸关的应用。图 1 显示了容性隔离的示意图。

图1: 容性隔离示意图

什么是隔离器的绝缘等级

选择数字隔离器时，所需的绝缘电压是一个关键性考量因素，因为它会影响总体解决方案成本。隔离器的绝缘等级通常分类为两种之一：基本绝缘或加强绝缘。

基本绝缘：提供了足够的绝缘材料来保护人员或设备免受电气伤害；但如果绝缘层势垒被击穿，将仍然存在电气故障风险。有些设备会采用两层基本绝缘层结构，当第一层损坏时，第二层也可以提供保护措施，这称为双重绝缘。
加强绝缘：等效于双重绝缘，但通过单一加强绝缘层来实现；与基本绝缘相比，绝缘层势垒被击穿的概率较低。

IEC 62368-1 为绝缘电压等级的确定提供了一份全面的规范。基本绝缘的定义是最小爬电距离为 3.2mm，能够承受一分钟 2,500V_RMS 和一秒钟 3kV_RMS 的耐压测试。加强绝缘要求最小爬电距离为 6.4mm，，能够承受至少一分钟 5kV_RMS 和一秒钟 6kV_RMS 的耐压测试。（以上参数适用的具体条件请参考相关安规文档）。

图2显示了这三种绝缘等级模型：基本绝缘、双重绝缘和加强绝缘。

图2: 基本、双重和加强绝缘

爬电距离是沿绝缘表面测量的隔离器两侧导电元器件之间的最短路径。电气间隙是与爬电距离类似的一种常见参数，但它是最短空间距离。因此，爬电距离总是等于或大于电气间隙，但两者都严重依赖于IC 的封装结构。引脚间距和封装体宽度等参数与隔离元件的绝缘耐压等级有很强的关联性。引脚间距和封装体越宽，绝缘耐压就越大，但同时占用面积也会更大，并增加系统整体成本。

根据系统设计和绝缘耐压要求的不同，可提供与封装类型相对应的不同绝缘电压等级。小型轮廓集成电路（SOIC）封装通常具有 1.27mm 引脚间距，并提供窄体（3.9mm 封装体宽度）或宽体（7.5mm 封装体宽度）封装。宽体封装通常用于满足 5kV_RMS 加强绝缘要求，而窄体封装则用于最大耐受隔离电压为 3kV_RMS 基本绝缘的应用。在某些情况下，对于部分大于800V的系统，可采用爬电距离 >14.5mm 的超宽体封装来满足更宽爬电距离和电气间隙的要求。

图3显示了典型SOIC 封装的电气间隙和爬电距离示意图。

图 3：SOIC 封装的电气间隙和爬电距离

数字隔离器的安全规范

UL、VDE、CSA 和 CQC 等安全认证机构在测试各种电子系统中隔离器的可靠性与安全性方面发挥着关键的作用，相关认证说明如下：

UL 1577: 由美国保险商实验室（Underwriters Laboratories）颁布，它制定了严格的标准来评估数字隔离器的绝缘性能，例如绝缘耐压、漏电流和绝缘阻抗等参数，以确保隔离器符合安全要求。
VDE 0884-17 / IEC 60747-17: 在全球被认可，它通过更严格的局部放电测试和器件寿命预测来验证电气绝缘产品（包括数字隔离器）的质量和安全性。通过VDE 认证，表明隔离器符合指定的安全标准，能够确保其在多种应用中的可靠性和功能性。
加拿大标准协会 (CSA): 该机构提供一系列系统级认证，保证数字隔离器遵循加拿大安全法规和标准，确保其在加拿大各地部署的电子系统中的可靠性和安全性。
中国质量认证中心（CQC）: GB 4943.1国家标准强调了音视频、信息技术和通信技术设备的安全要求。

这些安规认证为制造商、工程师和消费者提供了信心，让各地面市的数字隔离器都可以经过全面的测试去符合严格的安全标准，因此也提高了全球范围内使用的电子设备和系统的整体安全性与可靠性。

数字隔离器与光电耦合器的特点对比

传统数字信号的隔离传输是通过光电耦合器实现的。光电耦合器利用发光二极管（LED）和光敏元件（通常为光电晶体管）控制光通过绝缘势垒，从而传输信号。绝缘势垒一侧的信号会控制点亮和熄灭LED，当 LED 发射的光子撞击光电晶体管的基极-集电极结时，基极中会形成光电流，并通过晶体管的电流放大效应产生驱动电流，从而控制另一侧电路输出相同的数字信号。

数字隔离器具有四个关键特性，使其比光电耦合器更适合智能家居设备：

低功耗：数字隔离器无需驱动电流去激发光源，而是使用更高效的隔离技术来传输信号，因此是电池供电设备（例如智能恒温器或安防传感器）的理想选择。
高速数据传输：光电晶体管的响应时间较长，这限制了光电隔离器的带宽。数字隔离器可以更快地传输信号，实现智能家居设备与控制系统之间更快速、更可靠的通信。
低电磁干扰 (EMI)：EMI 会干扰家中的电子设备。采用容性隔离技术可以让数字隔离器具有更好的电磁兼容性能。
宽工作温度范围：数字隔离器能够适应各种恶劣的环境，包括户外应用。

数字隔离技术的类型

新型数字隔离技术常见两种类型：磁隔离和容性隔离。磁隔离依靠变压器线圈耦合利用磁场传输信号；而容性隔离通过电容结构，利用电场实现跨绝缘壁垒的信号传输，实现电气绝缘，防止两侧电路之间直接形成电流流动，并在输入和输出电路之间提供绝缘。

容性隔离因具有以下优点而成为最常用的隔离方法：

更高数据速率：与磁隔离相比，容性隔离拥有更高的数据速率，因此可用于需要快速可靠通信的应用。
更低功耗：与磁隔离或光隔离相比，容性隔离通常功耗更低，因此是适用于电池供电设备的节能选择。
更小尺寸：容性隔离器通常比磁隔离器或光隔离器更小，因此更容易集成到小型电子设备中。
更低成本：容性隔离器通常比光隔离器更便宜，因为光隔离器中有昂贵的光电元件，例如 LED 和光敏晶体管。
更高 EMI 抗扰度：与磁隔离相比，容性隔离不易受 EMI 影响，因此在嘈杂环境中是更可靠的选择。

图4显示了传统光隔离、磁隔离和容性隔离的比较。

图 4：光隔离、磁隔离与容性隔离

采用哪种类型的数字隔离取决于应用规格，例如所需的数据速率、温度范围或环境中的电气噪声水平。图 5 显示了一个智能冰箱的功能框图，其中用到了三个数字隔离器。

图5: 智能冰箱的功能框图

MP279xx系列产品介绍

MP279xx是MPS提供的高性能数字隔离器，其中包括 MP27922, MP27931, MP27933, MP27940, MP27942, MP27933和MP27960。该系列产品中包含双通道、四通道和六通道数字隔离器，并具有多种正向和反向通道组合，非常适合智能家居设备应用。其产品编号的最后两位数字代表正向和反向通道的数量。例如，MP27922 是一款四通道数字隔离器，它具有两个正向通道和两个反向通道。

MP279xx 系列数字隔离器已经过优化，可取代传统光耦合器，其优势罗列如下：

符合 UL 1577 标准的 5000V_RMS 绝缘耐压，非常适合要求可靠的应用
比传统光耦隔离器尺寸更小、功耗更低、运行更可靠
在最大限度降低功耗的同时，还能在宽温度范围内保持高性能
支持高达 150Mbps 的数据速率

MP279xx 系列产品采用容性隔离技术，支持高达 5kV_RMS 的绝缘电压额定值。该系列器件符合 UL、VDE、CSA 和 CQC等安全相关认证；同时提供施密特触发器输入和高频调制/解调机制，可在嘈杂的环境中实现高电磁兼容性；此外还提供可选默认高/低电平失效保护输出，即使输入信号电源发生故障，也能支持确定的输出电平。

数字隔离器在智能家居设备中的应用

在控制系统和电器电路之间提供电气隔离对于确保用户安全以及保护智能家居设备免受外界干扰或黑客攻击至关重要。例如智能照明系统、智能安防系统、智能恒温器和智能家居娱乐系统等都集成了数字隔离器，下文将对此进行详细的介绍。

智能照明系统

在智能照明系统中，数字隔离器在控制系统和高压照明电路之间提供隔离，从而防止用户接触到高压电信号。

智能安防系统

在智能家居中安防系统中，数字隔离器可在控制系统和传感器或摄像头之间提供隔离。将敏感的控制电路与外界隔离可避免安防系统受到外部干扰。

智能恒温器

在智能恒温器中，数字隔离器在控制系统和加热或冷却电路之间提供隔离。这最大限度地减少了加热或制冷电路中的高压或大电流信号对控制系统的损坏。

智能家居娱乐系统

在智能家居娱乐系统(例如智能音箱)中，数字隔离器可在控制系统与音频或视频电路之间提供隔离。这样可防止对音频或视频信号产生干扰或噪声，从而实现高品质播放。

结语

数字隔离器是许多电子设备（包括智能家居设备）的重要组成部分，它为隔离电路之间的信号传输提供了一种安全有效的解决方案，同时避免了物理上的直接连接以及电气直连带来的安全隐患和性能降级。MP279xx 系列数字隔离器采用容性隔离技术提供强大的隔离解决方案。与其他形式的隔离技术相比，它具有多项关键优势，包括更高数据速率、更低功耗、更小尺寸、更低成本和更佳EMI抗扰能力。如需了解更多信息，请浏览 MPS 广泛的隔离解决方案产品组合。