智能家居設備越來越受歡迎。智能恒溫器、照明系統(tǒng)、安防系統(tǒng)和家庭娛樂系統(tǒng)已經(jīng)走進了千家萬戶，為家居功能提供自動化管理和無線控制，讓用戶可以通過移動應用程序或數(shù)字面板來監(jiān)控和管理他們的家。

然而，盡管智能家居設備存在諸多優(yōu)勢，在日常家庭使用過程中，因為需要接入電源或攜帶電池供電，用戶仍面臨著一些日益增長的風險，例如電氣故障可能導致的觸電、火災或設備的直接損壞。

那么，如何確保智能家居設備的安全性和可靠性呢？

答案是：使用數(shù)字隔離元器件保障電氣隔離很有必要！

01數(shù)字隔離器的定義

數(shù)字隔離器是一種電子元器件，它可以在兩個電路系統(tǒng)之間提供電氣隔離，同時又允許數(shù)字信號在電路之間傳遞。通過磁耦合或容性耦合，數(shù)字隔離器無需直接電氣連接即可跨越絕緣層勢壘進行數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)字隔離器通常用于需要電氣隔離以保護敏感電路免受高壓、噪聲或其他危害的應用。它們可用于電源、電機控制、醫(yī)療設備、工業(yè)自動化以及其他安全性和可靠性攸關的應用。

圖 1 顯示了容性隔離的示意圖。

圖 1：容性隔離示意圖

02什么是隔離器的絕緣等級

選擇數(shù)字隔離器時，所需的絕緣電壓是一個關鍵性考量因素，因為它會影響總體解決方案成本。

隔離器的絕緣等級通常分類為兩種之一：基本絕緣或加強絕緣。

基本絕緣：提供了足夠的絕緣材料來保護人員或設備免受電氣傷害；但如果絕緣層勢壘被擊穿，將仍然存在電氣故障風險。有些設備會采用兩層基本絕緣層結(jié)構，當?shù)谝粚訐p壞時，第二層也可以提供保護措施，這稱為雙重絕緣。

加強絕緣：等效于雙重絕緣，但通過單一加強絕緣層來實現(xiàn)；與基本絕緣相比，絕緣層勢壘被擊穿的概率較低。

IEC 62368-1 為絕緣電壓等級的確定提供了一份全面的規(guī)范。

基本絕緣的定義是最小爬電距離為 3.2mm，能夠承受一分鐘2500VRMS和一秒鐘 3kVRMS的耐壓測試。

加強絕緣要求最小爬電距離為 6.4mm，能夠承受至少一分鐘 5kVRMS和一秒鐘 6kVRMS的耐壓測試。

以上參數(shù)適用的具體條件請參考相關安規(guī)文檔。

圖 2 顯示了這三種絕緣等級模型：基本絕緣、雙重絕緣和加強絕緣。

圖 2：基本、雙重和加強絕緣

爬電距離是沿絕緣表面測量的隔離器兩側(cè)導電元器件之間的最短路徑。

電氣間隙是與爬電距離類似的一種常見參數(shù)，但它是最短空間距離。

因此，爬電距離總是等于或大于電氣間隙，但兩者都嚴重依賴于 IC 的封裝結(jié)構。

引腳間距和封裝體寬度等參數(shù)與隔離元件的絕緣耐壓等級有很強的關聯(lián)性。引腳間距和封裝體越寬，絕緣耐壓就越大，但同時占用面積也會更大，并增加系統(tǒng)整體成本。

根據(jù)系統(tǒng)設計和絕緣耐壓要求的不同，可提供與封裝類型相對應的不同絕緣電壓等級。

小型輪廓集成電路（SOIC）封裝通常具有 1.27mm 引腳間距，并提供窄體（3.9mm 封裝體寬度）或?qū)掦w（7.5mm 封裝體寬度）封裝。

寬體封裝通常用于滿足 5kVRMS 加強絕緣要求，而窄體封裝則用于最大耐受隔離電壓為 3kVRMS 基本絕緣的應用。

在某些情況下，對于部分大于 800V 的系統(tǒng)，可采用爬電距離 >14.5mm 的超寬體封裝來滿足更寬爬電距離和電氣間隙的要求。

圖 3 顯示了 典型 SOIC 封裝的電氣間隙和爬電距離示意圖。

圖 3：SOIC 封裝的電氣間隙和爬電距離

03數(shù)字隔離器的安全規(guī)范

UL、VDE、CSA 和 CQC 等安全認證機構在測試各種電子系統(tǒng)中隔離器的可靠性與安全性方面發(fā)揮著關鍵的作用，相關認證說明如下：

UL 1577：由美國保險商實驗室（Underwriters Laboratories）頒布，它制定了嚴格的標準來評估數(shù)字隔離器的絕緣性能，例如絕緣耐壓、漏電流和絕緣阻抗等參數(shù)，以確保隔離器符合安全要求。

VDE 0884-17 / IEC 60747-17：在全球被認可，它通過更嚴格的局部放電測試和器件壽命預測來驗證電氣絕緣產(chǎn)品（包括數(shù)字隔離器）的質(zhì)量和安全性。通過VDE 認證，表明隔離器符合指定的安全標準，能夠確保其在多種應用中的可靠性和功能性。

加拿大標準協(xié)會（CSA）：該機構提供一系列系統(tǒng)級認證，保證數(shù)字隔離器遵循加拿大安全法規(guī)和標準，確保其在加拿大各地部署的電子系統(tǒng)中的可靠性和安全性。

中國質(zhì)量認證中心（CQC）：GB 4943.1國家標準強調(diào)了音視頻、信息技術和通信技術設備的安全要求。

這些安規(guī)認證為制造商、工程師和消費者提供了信心，讓各地面市的數(shù)字隔離器都可以經(jīng)過全面的測試去符合嚴格的安全標準，因此也提高了全球范圍內(nèi)使用的電子設備和系統(tǒng)的整體安全性與可靠性。

04數(shù)字隔離器與光電耦合器的特點對比

傳統(tǒng)數(shù)字信號的隔離傳輸是通過光電耦合器實現(xiàn)的。

光電耦合器利用發(fā)光二極管（LED） 和光敏元件（通常為光電晶體管）控制光通過絕緣勢壘，從而傳輸信號。絕緣勢壘一側(cè)的信號會控制點亮和熄滅 LED，當 LED 發(fā)射的光子撞擊光電晶體管的基極-集電極結(jié)時，基極中會形成光電流，并通過晶體管的電流放大效應產(chǎn)生驅(qū)動電流，從而控制另一側(cè)電路輸出相同的數(shù)字信號。

數(shù)字隔離器具有四個關鍵特性，使其比光電耦合器更適合智能家居設備：

低功耗：數(shù)字隔離器無需驅(qū)動電流去激發(fā)光源，而是使用更高效的隔離技術來傳輸信號，因此是電池供電設備（例如智能恒溫器或安防傳感器）的理想選擇。

高速數(shù)據(jù)傳輸：光電晶體管的響應時間較長，這限制了光電隔離器的帶寬。數(shù)字隔離器可以更快地傳輸信號，實現(xiàn)智能家居設備與控制系統(tǒng)之間更快速、更可靠的通信。

低電磁干擾（EMI）：EMI 會干擾家中的電子設備。采用容性隔離技術可以讓數(shù)字隔離器具有更好的電磁兼容性能。

寬工作溫度范圍：數(shù)字隔離器能夠適應各種惡劣的環(huán)境，包括戶外應用。

05數(shù)字隔離技術的類型

新型數(shù)字隔離技術常見兩種類型：磁隔離和容性隔離。

磁隔離依靠變壓器線圈耦合利用磁場傳輸信號；而容性隔離通過電容結(jié)構，利用電場實現(xiàn)跨絕緣壁壘的信號傳輸，實現(xiàn)電氣絕緣，防止兩側(cè)電路之間直接形成電流流動，并在輸入和輸出電路之間提供絕緣。

容性隔離因具有以下優(yōu)點而成為最常用的隔離方法：

更高數(shù)據(jù)速率：與磁隔離相比，容性隔離擁有更高的數(shù)據(jù)速率，因此可用于需要快速可靠通信的應用。

更低功耗：與磁隔離或光隔離相比，容性隔離通常功耗更低，因此是適用于電池供電設備的節(jié)能選擇。

更小尺寸：容性隔離器通常比磁隔離器或光隔離器更小，因此更容易集成到小型電子設備中。

更低成本：容性隔離器通常比光隔離器更便宜，因為光隔離器中有昂貴的光電元件，例如 LED 和光敏晶體管。

更高 EMI 抗擾度：與磁隔離相比，容性隔離不易受 EMI 影響，因此在嘈雜環(huán)境中是更可靠的選擇。

圖 4 顯示了傳統(tǒng)光隔離、磁隔離和容性隔離的比較。

圖 4：光隔離、磁隔離與容性隔離

采用哪種類型的數(shù)字隔離取決于應用規(guī)格，例如所需的數(shù)據(jù)速率、溫度范圍或環(huán)境中的電氣噪聲水平。

圖 5 顯示了一個智能冰箱的功能框圖，其中用到了三個數(shù)字隔離器。

圖 5：智能冰箱的功能框圖

06MP279xx 系列產(chǎn)品介紹

MP279xx 是 MPS 提供的高性能數(shù)字隔離器系列，其中包括：MP27922,MP27931,MP27933,MP27940,MP27942,MP27960等。

該系列產(chǎn)品中包含雙通道、四通道和六通道數(shù)字隔離器，并具有多種正向和反向通道組合，非常適合智能家居設備應用。

其產(chǎn)品編號的最后兩位數(shù)字代表正向和反向通道的數(shù)量。例如，MP27922是一款四通道數(shù)字隔離器，它具有兩個正向通道和兩個反向通道。

MP279xx 系列數(shù)字隔離器已經(jīng)過優(yōu)化，可取代傳統(tǒng)光電耦合器，其優(yōu)勢列舉如下：

符合 UL 1577 標準的 5000VRMS 絕緣耐壓，非常適合要求可靠的應用。

比傳統(tǒng)光隔離器尺寸更小、功耗更低、運行更可靠。

在最大限度降低功耗的同時，還能在寬溫度范圍內(nèi)保持高性能。

支持高達 150Mbps 的數(shù)據(jù)速率。

MP279xx 系列產(chǎn)品采用容性隔離技術，可支持高達 5kVRMS 的絕緣耐壓。

該系列器件符合 UL、VDE、CSA 和 CQC 等相關安全認證；同時提供施密特觸發(fā)器輸入和高頻調(diào)制/解調(diào)機制，可在嘈雜的環(huán)境中實現(xiàn)高電磁兼容性；此外還提供可選默認高/低電平失效保護輸出，即使輸入信號電源發(fā)生故障，也能支持確定的輸出電平。

07數(shù)字隔離器在智能家居設備中的應用

在控制系統(tǒng)和電器電路之間提供電氣隔離，對于確保用戶安全以及保護智能家居設備免受外界干擾或黑客攻擊至關重要。

例如智能照明系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)、智能恒溫器和智能家居娛樂系統(tǒng)等，都集成了數(shù)字隔離器。

1智能照明系統(tǒng)

在智能照明系統(tǒng)中，數(shù)字隔離器在控制系統(tǒng)和高壓照明電路之間提供隔離，從而防止用戶接觸到高壓電信號。

2智能安防系統(tǒng)

在智能家居安防系統(tǒng)中，數(shù)字隔離器可在控制系統(tǒng)和傳感器或攝像頭之間提供隔離。將敏感的控制電路與外界隔離可避免安防系統(tǒng)受到外部干擾。

3智能恒溫器

在智能恒溫器中，數(shù)字隔離器在控制系統(tǒng)和加熱或冷卻電路之間提供隔離。這最大限度地減少了加熱或制冷電路中的高壓或大電流信號對控制系統(tǒng)的損壞。

4智能家居娛樂系統(tǒng)

智能家居娛樂系統(tǒng)（例如智能音箱）中，數(shù)字隔離器可在控制系統(tǒng)與音頻或視頻電路之間提供隔離。這樣可防止對音頻或視頻信號產(chǎn)生干擾或噪聲，從而實現(xiàn)高品質(zhì)播放。

總結(jié)

數(shù)字隔離器是許多電子設備（包括智能家居設備）的重要組成部分，它為隔離電路之間的信號傳輸提供了一種安全有效的解決方案，同時避免了物理上的直接連接以及電氣直連帶來的安全隱患和性能降級。

MP279xx 系列數(shù)字隔離器采用容性隔離技術提供強大的隔離解決方案。與其他形式的隔離技術相比，它具有多項關鍵優(yōu)勢，包括更高數(shù)據(jù)速率、更低功耗、更小尺寸、更低成本和更佳 EMI 抗擾能力。