當數千伏工業電機快速啟停時、當高速充電樁斷電恢復時、當光伏逆變器遭遇雷擊時,高壓側電路可能會因電感電流突變或浪涌耦合,產生幅值達母線電壓數倍的電壓尖峰。而在缺乏有效電氣隔離措施或在寄生電容耦合作用的情況下,這些電壓尖峰會迅速傳導至低壓側電路,瞬間擊穿MCU、傳感器等敏感元器件,嚴重時還會威脅到操作人員的生命安全。
因此,在現代電力電子系統的高低壓電路之間引入隔離芯片,建立安全可靠的電氣隔離屏障,已成多項安全標準與通用規范中的明確要求與剛性規定。其不僅能防止高壓浪涌、短路漏電等不良現象損壞敏感元器件,還能在復雜環境中保障數字信號的傳輸質量,是工業自動化與光儲充等場景中實現系統穩定與本質安全的核心保障。
容耦隔離器,科技進步的時代烙印
隔離芯片是將輸入信號進行轉換并輸出,以實現輸入、輸出兩端電氣隔離的一種安規器件。現階段,市場中主流的隔離芯片主要分為傳統的光耦隔離器,以及容耦隔離器和磁耦隔離器兩類數字隔離器,其中容耦隔離替代傳統光耦隔離的趨勢明確,容耦隔離已成為隔離芯片市場中的主流發展方向。

傳統光耦隔離器的工作原理為通過發光二極管(LED)將來自MCU的直流脈沖信號(數字信號)轉為光信號,經PI透明介質隔離后,再由光敏元件接收光信號,而后產生電導率變化,進而將其還原為原來的數字信號。雖然光耦隔離器技術成熟度較高、成本較低,但由于存在LED光衰、運行功耗大與傳輸速率低等固有缺陷,其在高速通信與能效敏感的場景中漸顯乏力。
容耦隔離器的工作原理為通過OOK調制技術將來自MCU的直流脈沖信號(數字信號)調制為高頻載波信號(具備交流特性),而后通過電容電場的耦合作用將其傳輸至信號接收端,信號接收端再將其解調還原為原來的數字信號。
與傳統光耦隔離器相比,采用CMOS工藝的容耦隔離器在信號傳輸速率、信號傳輸延遲、隔離電壓、CMTI、運行功耗、使用壽命、集成度與溫度適應范圍等性能指標上的表現更加優異,具備顯著的快速迭代能力,其不僅是升級光耦隔離器的核心替代方案,更是科技持續進步所留下的時代烙印。
高性能CMT812X,傳統高速光耦隔離器的升級方案
華普微,作為芯片年出貨量達數億顆的物聯網芯片開發企業,其自產自研的數字隔離芯片基于Sub-GHz射頻技術開發,采用經典OOK(On-Off Keying,開關鍵控)射頻調制方案,是一種在芯片內部構建了微型無線射頻收發系統的高性能容耦隔離器。例如,CMT812X系列容耦隔離器就可作為傳統高速光耦隔離器的升級方案。

CMT812X系列容耦隔離器采用穩健可靠的二氧化硅(SiO2)絕緣柵,不僅支持高達5 kVRms隔離電壓、8kV浪涌能力以及40年以上的預期使用壽命,還可顯著增強器件電磁兼容性(EMC),有效滿足系統級ESD、EFT、浪涌和輻射方面的合規要求。同時,默認輸出低電平和高電平選項,還能使其更靈活地適用于不同的使用場景。
在應用領域方面,CMT812X系列容耦隔離器已廣泛應用于工業自動化、新能源汽車、光伏逆變器、電機控制、隔離式SPI以及通用多通道隔離等場合。CMT812X系列芯片可在通信過程中實現兩路通道隔離,確保數據信號安全傳輸,特別是在工業應用中,可有效防止噪聲干擾,保證工業設備的穩定運行。
展望未來,隨著電力電子技術的持續革新與行業對系統安全性、穩定性要求的不斷提升,容耦隔離器對傳統光耦隔離器的替代進程將進一步深化并加速。這一趨勢不僅會覆蓋現有工業自動化、光儲充等核心場景,更將向如智能電網、消費電子及更多需要高低壓隔離的復雜系統等場景延伸,助力整個電力電子產業向更安全、更高效的生態體系邁進。
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ADuM7240/ADuM7241 1KV、雙通道數字隔離器技術手冊


物聯網中電路設計常見的光耦隔離器工作原理、類型、應用場景及設計注意事項

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