تا زمانی که مدار منبع تغذیه پتانسیل تعامل با سایر مدارها، سخت افزار، زیرساخت یا کاربران انسانی را داشته باشد، ممکن است موقعیت های اضافه ولتاژ مخرب رخ دهد. جداسازی فیزیکی یا الکترونیکی (که معمولاً به عنوان جداسازی الکتریکی شناخته میشود) بین نقاط تعامل جریان و پتانسیل برای ایمنی و عملکرد مداوم مدارها بسیار مهم است. جداسازی همچنین می تواند نویز غیرضروری را در سیگنال خروجی کاهش دهد.
الزامات جداسازی در رباتها، تجهیزات شبکه برق فشار قوی، تجهیزات کارگاهی کارخانه، کاربردهای خودرو و محصولات مصرفی بسیار رایج است. هنگام طراحی سیستم های ایزوله، همچنین لازم است ویژگی های کاربردی مانند ولتاژ ورودی متغیر، استفاده از باتری یا نیاز به بسته بندی فشرده را در نظر بگیرید.
برای انتخاب صحیح اجزای جداسازی، طراحان باید مزایا، معایب و ترکیب ساختارهای مختلف جداساز را درک کنند. با این درک، آنها می توانند مؤثرترین، قابل اعتمادترین و مقرون به صرفه ترین جداسازها در طراحی الکترونیکی را اتخاذ کنند.
ایزوله را بشناسید
ایزولاسیون الکتریکی را می توان به روش های مختلفی به دست آورد، اما همه آنها یک اصل اساسی مشترک دارند: ورودی ولتاژ بالا در سمت اولیه از سمت ثانویه ولتاژ پایین و جریان پایین از طریق برخی موانع فیزیکی جدا می شود. جزئیات مانع جداسازی و روش انتقال نیرو، سیگنال ها یا هر دو از طریق مانع جداسازی به نوع جداساز بستگی دارد.
اپتوکوپلر از LED ها برای تبدیل سیگنال سمت اولیه از پالس های الکتریکی به فوتون استفاده می کند. در سمت ثانویه، عناصر حساس به نور مانند ترانزیستورهای نوری، فوتودیودها یا ترانزیستورهای اثر میدان فوتوالکتریک فوتون ها را دریافت کرده و آنها را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کنند. علاوه بر جداسازی فیزیکی مدارهای اولیه و ثانویه، اپتوکوپلرها همچنین می توانند به طور خودکار نویزهای غیر ضروری را در سیگنال خروجی حذف کرده و از حلقه های اتصال به زمین جلوگیری کنند.
در یک کوپلر مغناطیسی، ولتاژ روی سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند. این میدان مغناطیسی ولتاژ القایی روی سیمپیچ ثانویه ایجاد میکند و در نتیجه سیگنالهای الکتریکی را با حفظ ایزوله الکتریکی ارسال میکند. ترانسفورماتورها میتوانند دو سیمپیچ مستقل روی یک هسته آهنی داشته باشند، یا میتوانند دو سلف باشند که هر کدام یک سیم پیچی در اطراف هسته آهنی خود دارند که توسط مواد عایق از هم جدا شدهاند. دلیل اینکه طراحان کوپلینگ مغناطیسی را انتخاب می کنند این است که دارای قابلیت ولتاژ بالا، زمان پاسخ نسبتا سریع و توانایی فیلتر کردن نویز سیگنال است. البته اندازه ایزولاتور، امکان تولید گرما و ایجاد تداخل الکترومغناطیسی نیز باید در نظر گرفته شود.
کوپلر خازنی از یک خازن متشکل از دو الکترود استفاده می کند که توسط یک ماده دی الکتریک از هم جدا شده اند. ولتاژ ورودی بارها را روی الکترود جانبی اولیه جمع می کند. این یک میدان الکتریکی ایجاد می کند و ولتاژی را در الکترود ثانویه القا می کند. کوپلرهای خازنی به دلیل اندازه کوچک، مصرف انرژی کم، و پاسخ سریع به تغییرات ورودی، شناخته شده هستند، که آنها را برای انتقال سیگنال های الکتریکی در گیت های ایزوله راحت و کارآمد می کند. طراحان باید اقداماتی را برای محافظت از کوپلرهای خازنی در برابر اثرات ولتاژ ورودی، رطوبت محیطی و خرابی دی الکتریک که بیش از توانایی آنها است، انجام دهند.
استقرار ایزولاتورهای دیجیتال
هر یک از انواع ایزولاتورهای فوق را می توان در یک سیستم جداساز دیجیتال روی مدار مجتمع (IC) ادغام کرد. این ساختارهای توپولوژیکی را می توان بیشتر با ماژول های قدرت یا اجزای انتقال سیگنال ادغام کرد تا یک سیستم جداسازی دیجیتال کامل را روی یک تراشه واحد تشکیل دهد. ساختارهای توپولوژی متداول سیستم های جداساز دیجیتال شامل فلای بک، نیم پل و فشار کش می باشد.
منبع تغذیه فلای بک از یک فرم جداسازی مغناطیسی استفاده می کند که یک سلف شنت را با یک مبدل تقویت کننده باک ترکیب می کند تا یک ترانسفورماتور بسازد، در نتیجه ولتاژ ورودی جریان مستقیم (DC) را برای مطابقت با خروجی مورد نیاز افزایش یا کاهش می دهد. بازخورد مبدل باک بوست توسط یک سیم پیچ سلف یا اپتوکوپلر سه مرحله ای ارائه می شود. توصیه می شود از منابع تغذیه فلای بک در برنامه های کم مصرف استفاده کنید، اما طراحان باید توجه داشته باشند که ممکن است EMI غیر ضروری تولید شود.
طرح نیم پل (H-bridge) شامل یک مولد موج مربعی پل H، یک مدار تشدید متشکل از دو سلف و یک خازن (LLC) و دو یکسو کننده است که می تواند ولتاژ خروجی DC مورد نیاز را تامین کند. در مقایسه با طرحهای خاص، یکسو کنندهها میتوانند به توان خروجی بالاتری دست یابند و توصیه میشود از طراحی جداسازی پل H برای کاربردهای توان متوسط استفاده شود.
منبع تغذیه ایزوله فشار کش از دو ترانسفورماتور برای کوپلینگ مغناطیسی استفاده می کند. دو سوئیچ به طور متناوب ترانسفورماتور را برای دریافت ولتاژ ورودی سوئیچ می کنند. دو دیود یکسو کننده پل کامل در سمت ثانویه می توانند تغییرات ولتاژ را پیش بینی کرده و آنها را به خروجی های متقارن تنظیم کنند.
برای افزایش کنترل، طراحان می توانند انتخاب کنند که درایورهای ترانسفورماتور را به دستگاه فشار کش اضافه کنند. این درایور یک نوسان ساز، یک تقسیم کننده فرکانس و یک کنترل کننده منطقی را برای هماهنگی باز و بسته شدن سوئیچ ها در حالت BBM ادغام می کند. این حالت می تواند سیگنال خروجی نسبتاً ثابتی تولید کند و در عین حال از اجزای داخلی و پایین دستی در برابر آسیب ناشی از اتصال دو سوئیچ به طور همزمان محافظت کند.
سیستمهای دارای درایورهای ترانسفورماتور همچنین میتوانند از تنظیمکنندههای خطی کم خروجی (LDOs) برای کنترل خروجی، جایگزینی دیودهای یکسوکننده یا افزایش عملکرد آنها استفاده کنند. اختلاف ولتاژ حداقل اختلاف بین ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی است که کمتر از آن مدار نمی تواند خروجی را به طور کامل تنظیم کند. در LDO، این تفاوت بسیار کم است و عملکرد قابل اعتماد را در محدوده وسیع ولتاژ ورودی تضمین می کند.