測量高電壓下傳輸的小訊號，並避免感測器接地迴路

設計人員通常需要在具有高共模電壓的情況下測量小電壓，特別是搭配電源供應器和馬達驅動器時。這個問題與使用感測器時的接地迴路問題有關，而這兩個問題可透過有效利用隔離放大器解決。

隔離放大器可在輸入和輸出之間提供電流隔離，所以只會傳輸必要訊號，並消除高共模電壓。在以感測器為主的監測系統中，隔離放大器可在感測器之間維持接地隔離，藉此消除接地迴路。這些元件普遍應用於電源供應器、馬達控制器、遠端電壓感測、生物醫學量測和遠端數據採集。

為了說明隔離放大器的運作方式以及有效的使用方法，本文首先將說明必須進行隔離的典型情境，然後再探討三種常見的隔離方法：變壓器耦合、光學耦合和電容式耦合。在說明的過程中，本文將介紹各個方法的實用解決方案，並在最後使用公版設計提供範例。

典型的電源供應器情境

現代電源供應器和馬達驅動器都必須在高共模電壓中測量小訊號。設計人員該如何使用一個 FET 偏壓在 300 V 以上的電阻式分流器，測量推挽式 FET 電源驅動器的負載電流呢 (圖 1a)？

圖 1：在高共模電壓下測量小壓降 (a)，以及消除接地迴路 (b)，都是常見且需要隔離的電路應用。(圖片來源：DigiKey)

上方的 (a) 電路是用來控制馬達或馬達相位的典型電源驅動器。此電路可改變傳至負載之脈衝波形的工作週期，藉此控制電源。電源電壓 (HV+ 和 HV-) 大小可達數百伏特之多。分流電阻 R_SHUNT 兩端之間的電流感測電壓約為數十毫伏，但此電壓取決於一個在 HV+ 和 HV- 之間擺盪的脈衝波形。若將此電壓施加到已接地儀器或電流感測放大器的輸入端，就會超出共模電壓限制且有可能會毀壞元件。

同樣地，設計人員又該如何在多個太陽能電池組成的電池堆中，針對頂端的單一電池測量其電壓輸出呢？若共模電壓超過 80 V，就需要使用某種電氣隔離方法，將所需的訊號從中區隔。

此外，如何將電路與接地迴路隔離的問題也要納入考量 (圖 1b)。使用同軸纜線，將來自左方發射器來源的訊號，連接至右方的接收器。來自其他電路的雜散接地電流，可透過連接兩個接地的同軸屏蔽找到返回路徑。這會在纜線屏蔽串聯阻抗的兩端之間產生電壓，造成 V_G2 與 V_G1 不同，導致接收器輸入端有誤差。

這兩種應用都需要隔離訊號連接的能力。解決方式在於隔離放大器，亦即在其輸入和輸出端之間提供電流隔離。如此就只會傳送所需的訊號，並且會消除高共模電壓。隔離放大器可用來消除系統中的接地迴路，因此可保持電路元件之間的接地隔離。

隔離放大器的運作原理

隔離放大器是在其輸入和輸出電路 (包括相關電源供應器) 之間進行電流隔離的放大器。這可確保輸入和輸出區塊之間沒有導電路徑。兩個區塊之間的漏電極低，並符合高介電崩潰電壓規格。輸入級是一個差動放大器，可用來衰減共模電壓。能夠做到這一點，是因為各個輸入間的電壓差異值都在 1 V 以內，並且放大器是浮動的，並未參考接地。各區塊之間的雜散電容式耦合會減低隔離效果，而透過精心設計和佈局，可將此耦合效應降至最低。各區塊之間的隔離效果可透過變壓器耦合、電容式耦合或光學耦合來達成 (圖 2)。這些耦合方法通常會阻隔 DC，以及訊號的低頻成分。使用輸入訊號調節載波，並且傳輸完整訊號頻譜，即可避免此缺點，而訊號頻譜則可在元件的輸出側透過解調來恢復。輸入側和輸出側都使用隔離式電源供應器。

圖 2：通用隔離放大器圖顯示三種常用的隔離方法，包括變壓器耦合、電容式耦合或光學耦合。(圖片來源：DigiKey)

使用的調變技術取決於元件，但經常使用頻率調變、脈寬調變或三角積分調變。三角積分調變是最常見的調變方式。輸入是差動式，而輸出配置則可採用單端或差動式。請注意，隔離放大器的輸入和輸出區塊具有獨立的電源連接。通常輸入區塊會使用未參考接地的「浮動式」電源。要保持良好的隔離，就要將電源供應器妥善隔離。

隔離放大器的額定值，通常會指定成可在輸入和輸出之間達到最大電壓差，以便維持 DC 和 AC 電壓。針對暫態所施加的最大電壓，會依據暫態情況的時序另外指定。只要實體佈局可在元件輸入引腳和輸出引腳之間維持建議的間距，這些規範即可適用，且規格表中有詳列間距資訊。

變壓器 (磁性) 耦合

從歷史角度來看，變壓器耦合隔離是最古老的電路隔離方式。Analog Devices 的 AD202JY 是磁性耦合的隔離放大器 (圖3)。

圖 3：Analog Devices 的 AD202JY 使用變壓器耦合以及單一 15 V 非隔離式電源，達到 1000 V 的 DC 隔離。(圖片來源：Analog Devices)

AD202JY 的最大隔離電壓額定值為 750 V RMS AC (60 Hz 時)，以及 1000 V DC，加上 AC 連續電壓。本產品使用雙變壓器，第一個用於訊號路徑；第二個變壓器則將來自輸出的 25 kHz 載波與輸入側耦合，而且此載波可用於調變器。也可用來產生輸入區塊用的雙隔離式電源輸出。如此即可滿足獨立式隔離電源供應器的需求。

放大器的增益可由使用者設定在 1 至 100 V/V 之間，並具有 5 kHz 的完整功率頻寬。輸出級是無緩衝的差動輸出，可提供 ±5 V 電壓。

光學耦合

光學耦合是可在隔離放大器的輸入和輸出之間提供隔離的另一種方案。隔離放大器的輸入區塊會驅動一個發光二極體 (LED)，其發出的光會由輸出區塊中的光電電晶體接收 (圖4)。此連結完全透過光學原理達成，且 LED 和光電電晶體之間沒有任何電氣連接。

圖 4：Broadcom 的 ACPL790X 隔離放大器系列功能圖，顯示出可在輸入和輸出之間使用光學連結提供電氣隔離。(圖片來源：Broadcom Limited)

Broadcom 的 ACPL790 系列隔離放大器有出色的光學耦合技術，並且結合三角積分轉換器技術與截波穩定放大器，可提供高電壓隔離、差動輸出和 200 kHz 的頻寬。具有 891 V (峰值) 的工作絕緣電壓，符合 IEC/EN/DIN EN60747-5-5 標準。本系列有三種產品，各有不同的準確度規格。ACPL-7900 的準確度為 3%；ACPL-790A 為 1%；ACPL-790B 則為 0.5%。

電容式耦合

Texas Instruments 的 AMC1301 隔離放大器採用第三種隔離方法，即電容式耦合 (圖5)。

圖 5：TI 的 AMC1301 在其強化隔離屏障的各個支腳使用兩個串聯電容，藉此提供電容隔離。(圖片來源：Texas Instruments)

AMC1301 屬於差動輸出隔離放大器，隔離電壓額定值為 1500 V (峰值)。此隔離放大器的輸入級包括一個差動放大器，可驅動三角積分調變器。隔離時脈 (載波) 是從內部衍生。發射器 (TX) 驅動器可跨越雙電容器隔離屏障來傳輸資料。接收到的調變資料會在低側進行解調和同步，而時脈與輸出則作為差動訊號。AMC1301 的增益固定為 8.2，標稱頻寬為 200 kHz (典型值)。

如上所述，AMC1301 的輸入側和輸出側都需要隔離式電源供應器。

AMC1301 公版設計

Texas Instruments 提供 AMC1301 隔離放大器的公版設計範例，可進行 TINA-TI 模擬 (TINA-TI 是 Texas Instruments 免費提供的電路模擬器)。此電路可透過 500 V 的共模電壓傳輸 200 mV (峰值)、5 kHz 的訊號，以當作模擬輸入。差動輸出的峰值振幅為 1.6 V，偏移為 0 V，且輸入至 10 kΩ 的負載。此範例顯示出隔離放大器可在輸入訊號上消除大量共模偏移的能力，在此例中為 500 V。

圖 6：Texas Instrument 的 AMC1301 公版設計可在 TINA-TI 中進行模擬。在此範例中，AMC1301 針對 500 V 共模 DC 偏移提供隔離。(圖片來源：DigiKey)

隔離接地迴路

隔離放大器輸入和輸出之間的隔離，可用來斷開接地迴路，如圖 1b 所示。將隔離放大器放在發射器和接收器之間，就可斷開兩者之間由同軸纜線建立的接地連接，而且兩者之間也沒有直接的接地路徑 (圖 7)。

圖 7：在發射器和接收器之間插入隔離放大器，即可消除原本由同軸纜線連接建立的接地迴路。(圖片來源：DigiKey)

結論

無論是磁性、光學還是電容式耦合，隔離放大器都是非常有用的工具，可用來測量在高共模電壓下傳輸的小訊號，或用來隔離電路接地，即可在頻寬高達 200 kHz 的系統中消除接地迴路。這些元件普遍應用於電源供應器、馬達控制器、遠端電壓感測、生物醫學量測和遠端數據採集。