电气隔离（Electrical Isolation）详解

1. 基本定义

电气隔离是指通过物理或电气手段，将两个或多个电路之间的直接导电路径切断，确保电流或电压无法直接传递，同时允许信号或能量的受控传输。其目的是：

• 安全防护：防止高压、漏电或故障电流危及人员或设备。

• 抗干扰：阻断地环路噪声、共模干扰等。

• 电平转换：实现不同电压域之间的信号传递（如5V MCU控制220V负载）。

2. 电气隔离的关键需求

3. 主流电气隔离方法

（1）物理隔离

• 空间隔离：

  • 通过空气或绝缘距离阻断导电（如高压线间距、PCB爬电距离设计）。

  • 标准参考：IEC 60601（医疗设备）、IEC 60950（信息技术设备）规定间隙和爬电距离。

• 绝缘材料隔离：

  • 使用塑料、陶瓷、玻璃等绝缘体隔离导体（如变压器绕组间的绝缘胶带）。

（2）磁隔离（变压器耦合）

• 原理：利用磁场传递能量或信号，原副边无电气连接。

• 应用：

  • 功率隔离：AC-DC电源中的隔离变压器（如反激式拓扑）。

  • 信号隔离：数字隔离器（如ADI的iCoupler技术）。

• 特点：

  • 支持高频信号（MHz级）。

  • 可传输功率（瓦级至千瓦级）。

（3）光隔离（光耦）

• 原理：LED发光→光电晶体管接收，通过光传输信号。

• 典型器件：

  • 普通光耦（如PC817）：低速开关信号（kHz级）。

  • 高速光耦（如6N137）：支持MBps级数据传输。

• 优缺点：

  • 优点：成本低，隔离电压高（可达5kV）。

  • 缺点：速度受限，LED老化影响寿命。

（4）电容隔离

• 原理：通过高频信号耦合电容传递信号，直流成分被阻断。

• 应用：

  • 数字隔离芯片（如TI的ISO7740）。

  • 射频信号隔离（如CMOS开关隔离）。

• 特点：

  • 高速（可达100Mbps）、低功耗。

  • 对高频噪声敏感，需屏蔽设计。

（5）射频（RF）隔离

• 原理：利用电磁波无线传输信号（如微波、射频模块）。

• 应用：

  • 无线充电（Qi标准）。

  • 非接触式传感器（如射频标签RFID）。

（6）机械继电器隔离

• 原理：通过触点物理通断实现隔离。

• 类型：

  • 电磁继电器：线圈驱动机械触点（隔离电压高，但速度慢）。

  • 固态继电器（SSR）：光耦+半导体开关（无触点，寿命长）。

4. 隔离性能关键参数

5. 典型应用方案

• 电机驱动：
  光耦隔离（PWM信号） + 磁隔离（栅极驱动电源） + 空间隔离（高压PCB布局）。

• 医疗设备：
  变压器隔离（DC-DC电源） + 电容隔离（ECG信号传输）。

• 工业通信：
  数字隔离器（CAN收发器） + 磁耦隔离（RS-485）。

6. 选型要点

• 安全标准：符合IEC/UL（如IEC 60747-5-5对光耦的要求）。

• 速度需求：低速控制（光耦）vs 高速数据（电容隔离）。

• 集成度：独立光耦 vs 多通道数字隔离芯片（如ISO7740）。

• 成本：光耦＜磁隔离＜电容隔离。

总结

电气隔离是保障系统安全和信号完整性的技术，方法需根据电压等级、信号类型、速度及成本综合选择：

• 低成本低速：光耦（如开关控制）。

• 高速数据：电容/磁隔离芯片（如SPI通信）。

• 高功率传输：变压器（如电源模块）。
  设计时需严格计算隔离电压、爬电距离，并通过安规测试（如耐压测试、绝缘电阻测试）。