工業(yè)流程，例如倉(cāng)庫(kù)物流、灌裝廠、軋機(jī)、傳送帶和印刷機(jī)，通常需要選擇以下元件來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)干擾或無(wú)故障運(yùn)行：
　　隔離放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器
　　數(shù)字電路的隔離
　　接口/總線隔離
　　RS232、RS485、CAN、Interbus、Profibus - 測(cè)量和數(shù)據(jù)采集　　所有這些應(yīng)用都有一個(gè)共同點(diǎn)：電源電壓與總線電壓隔離。為什么要將電源與總線或開(kāi)關(guān)組件進(jìn)行電隔離？電流隔離可防止電源電壓的瞬態(tài)干擾傳播到總線并擾亂其運(yùn)行。圖 1 顯示了倉(cāng)儲(chǔ)物流的一個(gè)應(yīng)用示例。

　　圖 1. 典型工業(yè)應(yīng)用：倉(cāng)庫(kù)物流系統(tǒng)示例。圖片由博多電力系統(tǒng)提供
　　高效率微模塊
　　作為隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，具有電流隔離功能的電源模塊為倉(cāng)庫(kù)物流示例中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 提供可靠的電源（圖 1）。更準(zhǔn)確地說(shuō)，它是 FIMM 系列（固定隔離微模塊）的隔離微模塊 1769205132，它將隔離電源模塊的特性與我們經(jīng)典微模塊的特性相結(jié)合。通過(guò)使用小芯片SIP技術(shù)，可以將尺寸減小80%%，從而形成尺寸為9x7x3.1 3mm 3的模塊。與標(biāo)準(zhǔn) SMT-8 電源模塊（9x7 mm 2與 13.2x12.2 mm 2 ）相比，電路板空間要求減少了 50% 以上?！　agI3C 電源模塊 1769205132 基于全橋拓?fù)?。該模塊集成了開(kāi)關(guān)功率級(jí)、控制電路、整流二極管、輸入和輸出電容器以及變壓器（圖 2）。由于從輸出到輸入沒(méi)有反饋路徑，因此占空比固定為 50%，并且與負(fù)載無(wú)關(guān)。輸出電壓不受調(diào)節(jié)，由變壓器匝數(shù)比決定。在 T A =100°C的環(huán)境溫度下可提供 1 W 的輸出功率，而無(wú)需任何輸出電流降額。由于設(shè)計(jì)原因，原邊和副邊之間的寄生耦合電容的典型值為 8 pF。它的效率高達(dá) 91%，是伍爾特電子完整隔離電源模塊產(chǎn)品組合中的“同類最佳”。

　　圖 2.  FIMM 系列隔離微模塊 1769205132 的結(jié)構(gòu)。它由半導(dǎo)體IC、整流二極管、輸入和輸出電容器以及變壓器組成。圖片由博多電力系統(tǒng)提供　　電流隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器專門設(shè)計(jì)用于在分布式電源系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電壓隔離。 FIMM模塊特別適合對(duì)電源干擾敏感的應(yīng)用，例如模擬低頻電路和繼電器控制電路。原邊和副邊之間的低寄生電容確保了高頻干擾的高度去耦。此外，這種低寄生電容減輕了從轉(zhuǎn)換器的初級(jí)開(kāi)關(guān)側(cè)到次級(jí)側(cè)的共模干擾傳播。

　　圖 3. 使用解耦雙電壓電源的傳感器應(yīng)用示例（紅板）。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 
　　供應(yīng)敏感傳感器
　　測(cè)量和數(shù)據(jù)采集等應(yīng)用通常使用 ADC 構(gòu)建，將溫度值或電流等模擬測(cè)量值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。為了采集正負(fù)測(cè)量信號(hào)，需要雙電壓電源。通常，此類應(yīng)用中使用 ±5 V 電源。
　　ADC 可以提供的分辨率（即它有效提供的位數(shù)）取決于電源電壓的噪聲分量等。
　　圖 3 中應(yīng)用中的紅色電路板從 5V 輸入電壓生成 ±5V 的電流隔離雙電壓。
　　該電路的特點(diǎn)是：
　　輸出端殘余紋波極低
　　輸入和輸出之間的寬帶解耦
　　雙電壓電源主要由四個(gè)不同的功能塊組成（圖 4）：
　　1）輸入保護(hù)電路：該保護(hù)電路集成了反接保護(hù)和電壓瞬變保護(hù)。
　　2)輸入濾波器：第一濾波器級(jí)衰減傳導(dǎo)干擾電平。 DC/DC轉(zhuǎn)換器在電源方向上的開(kāi)關(guān)操作所產(chǎn)生的諧波的幅度被減小。另一方面，干擾可以通過(guò)電源到達(dá)電源模塊，并被濾波器衰減。
　　3)電源模塊本身：電源模塊轉(zhuǎn)換電壓并在輸入和輸出之間提供電流隔離。　　4）輸出濾波器：電源模塊提供的電流是直流電流與交流分量的疊加。交流分量是通過(guò)濾波器降低幅度的部分，以便為要供電的應(yīng)用（例如 ADC）提供“干凈”的直流電壓。

　　圖4. 解耦雙電壓電源（圖3中的紅板）包括輸入側(cè)保護(hù)電路、輸入側(cè)濾波器、電源模塊（FIMM）和輸出側(cè)濾波器。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]
　　輸入保護(hù)電路
　　輸入側(cè)的保護(hù)電路采用兩級(jí)設(shè)計(jì)（圖4左）。
　　二極管 D1 完成兩項(xiàng)任務(wù)。它可以保護(hù)輸入免受負(fù)瞬態(tài)干擾，并防止極性反接時(shí)損壞電源模塊的輸入。憑借 0.3 V @ 0.3 A 的正向電壓，它將電壓鉗位到低于電源模塊指定的最大工作值的值。
　　二極管 D2 保護(hù)電路免受正電壓瞬變的影響。當(dāng)從陰極到陽(yáng)極出現(xiàn) 6 至 9V 的正電壓瞬變時(shí)，二極管 D2 導(dǎo)通。有效鉗位電壓通常為 5.7V，因此在電源模塊的絕對(duì)最大額定值范圍內(nèi)。
　　輸入濾波器
　　該電源模塊的工作典型內(nèi)部開(kāi)關(guān)頻率為 300 kHz。上游電源的開(kāi)關(guān)頻率通常為 50 至 500 kHz。這導(dǎo)致濾波器組合在大約 100 kHz 時(shí)具有大約 50 至 75 dB 的衰減，以濾除瞬態(tài)干擾?！　1、L1和C2的組合形成π濾波器結(jié)構(gòu)。選擇各個(gè)濾波器組件的值的目的是提供從 100 kHz 開(kāi)始大約 50 dB 的插入損耗。

　　圖5所示為第一級(jí)濾波器的插入損耗曲線。此處可以清楚地看出，從 50 kHz 開(kāi)始，可實(shí)現(xiàn)約 80 dB 的衰減。
　　計(jì)算/模擬可以使用 RedExpert [1] 中的濾波器設(shè)計(jì)器進(jìn)行。該工具使用基于測(cè)量的組件的真實(shí)屬性進(jìn)行計(jì)算。這樣，模擬結(jié)果與真實(shí)組件更好地對(duì)應(yīng)。插入損耗的計(jì)算是在源阻抗和負(fù)載阻抗均為 50 Ω 的情況下進(jìn)行的。在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)高插入損耗的關(guān)鍵是射頻兼容設(shè)計(jì)，以避免組件之間的耦合?！　D 5.  RedExpert 中模擬的第一濾波器級(jí)插入損耗圖?？梢郧宄乜吹?，從 50 kHz 開(kāi)始，實(shí)現(xiàn)了大約 80 dB 的衰減。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]

　　圖 6 和圖 7 顯示了濾波器輸入和輸出處紋波電壓的實(shí)際測(cè)量值。這里使用帶寬限制設(shè)置為 20 MHz 的 10:1 探頭測(cè)量紋波電壓。　　由于只有 10 mV PP，電源模塊輸出的交流分量已經(jīng)非常低。相比之下，上游電源單元引入的交流分量要高出很多倍，典型值為 50 至 150 mV PP。因此，電源模塊“饋送到”直流母線的部分可以忽略不計(jì)。

　　圖 7 非常清楚地顯示了 π 濾波器的效果。交流分量衰減至小于5 mV PP的值。如果我們現(xiàn)在從總線電壓的角度來(lái)看濾波器，即從上游電源單元作為電源進(jìn)入電源模塊，我們可以預(yù)期對(duì)交流分量產(chǎn)生相同的影響，因?yàn)?π 濾波器是對(duì)稱的建造的。
　　圖 6. 電源模塊輸入端的紋波電壓。紋波電壓是使用 10:1 探頭測(cè)量的，帶寬限制設(shè)置為 20 MHz。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]
　　輸出濾波器
　　由于其工作原理，DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓不能像線性穩(wěn)壓器那樣提供純直流電壓。它實(shí)際上是直流電壓與疊加交流分量的組合。交流分量在數(shù)據(jù)表中指定為“輸出電壓紋波和噪聲”值（以 mV PP為單位） ，表示輸出電壓的峰峰值幅度。 ADC 電路在這里很敏感，因?yàn)樗鼈冎荒茉趤?lái)自電源的小干擾信號(hào)的情況下才能最佳工作，而該干擾信號(hào)必須低于 ADC 的分辨率。
　　右圖4所示電路是一個(gè)濾波器，用于降低FIMM輸出側(cè)的干擾電壓。線性雙端口濾波器由耦合電感、繞組 L2a/L2b 以及電容器 C3 和 C4 構(gòu)成。
　　繞組 L2a 將直流分量傳導(dǎo)至負(fù)載（類似于“平滑扼流圈”），而交流分量則通過(guò)繞組 L2b 和電容器 C4 流向地面。電容器 C4 的阻抗行為導(dǎo)致其將高頻分量放電到地面。
　　兩個(gè)繞組之間的磁耦合，即負(fù)反饋電感，用耦合系數(shù)k描述，對(duì)于濾波器功能至關(guān)重要。
　　由于耦合電感的兩個(gè)繞組的繞組方向，流過(guò)繞組L2b的電流的AC部分被轉(zhuǎn)移到繞組L2a。然后，電流的交流部分疊加在直流（AC）電流上，從而在負(fù)載電流中抵消交流部分，并通過(guò)磁耦合進(jìn)行補(bǔ)償，從而減少。
　　圖 7.  π 濾波器后的紋波電壓。紋波電壓是使用 10:1 探頭測(cè)量的，帶寬限制設(shè)置為 20 MHz。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]
　　系數(shù)k用于表示兩個(gè)線圈繞組之間的耦合，值為1表示兩個(gè)繞組之間100%耦合。由于電路設(shè)計(jì)類似于二階濾波器，因此應(yīng)使用k值<0.99的耦合電感，否則電路將很容易陷入串聯(lián)諧振（陷波濾波器）并顯示較低的濾波器效應(yīng)在高于諧振頻率的頻率范圍內(nèi)。理想情況下，應(yīng)使用小于 0.98 的 ak。這里使用的耦合電感器WE-DD 744877220的耦合系數(shù)約為0.98。所使用的電容器必須具有盡可能低的 ESR 值，以達(dá)到所需的濾波效果。例如，鋁聚合物電容器 WCAP-PTHR 870055673002 在 1 kHz 至 50 MHz 頻率范圍內(nèi)的 ESR 值小于 100 mΩ，此處可用作 22 ?F 電容器。
　　測(cè)量結(jié)果表明，對(duì)于 +5 V 支路的紋波電壓，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 50% 的交流分量（與未濾波值相關(guān)）的減少。
　　電隔離測(cè)量信號(hào)傳輸
　　如果必須長(zhǎng)距離傳輸測(cè)量值等電信號(hào)，則通過(guò)平行電纜耦合產(chǎn)生的干擾可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量值失真。對(duì)此的補(bǔ)救措施是以電流隔離的方式傳輸信號(hào)和電源，因?yàn)檫@可以確保通過(guò)電流隔離和平衡進(jìn)行去耦，從而減少共模干擾 (CM)。
　　圖 8 中的電路可以以電流隔離的方式傳輸 0 至 +4 V 范圍內(nèi)的直流電壓以及頻率高達(dá) 5 kHz（僅限 10 kHz）的脈沖直流電壓（帶偏移的交流電壓） 。
　　工作方式原理說(shuō)明：
　　1. 信號(hào)傳輸 光耦的LED由運(yùn)算放大器傳輸?shù)男盘?hào)控制。輸入電壓和 LED 發(fā)光強(qiáng)度之間的線性關(guān)系對(duì)于信號(hào)的真實(shí)傳輸至關(guān)重要。因此，LED 必須在其特性曲線的“線性”范圍內(nèi)工作。在線性范圍之外，無(wú)法再保證信號(hào)的真實(shí)傳輸。光耦合器的光電晶體管接收LED發(fā)出的光，并根據(jù)發(fā)光強(qiáng)度控制另一個(gè)運(yùn)算放大器。
　　2. 電源 主電路的電源電壓由外部電壓源（本例中為 12 V 直流母線）的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器直接提供。次級(jí)電路的電源通過(guò)第二個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器（FIMM 模塊）解耦。由于初級(jí)電路的電源電壓太高，無(wú)法直接用作 FIMM 模塊的輸入電壓，因此首先使用 MicroModule (171930601) 降低總線電壓。
　　圖 8. 基于 FIMM 系列 MicroModule 1769205132 的隔離數(shù)據(jù)傳輸參考設(shè)計(jì)。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]
　　信號(hào)傳輸原邊
　　原邊和副邊的隔離信號(hào)傳輸如圖9所示。這里，運(yùn)算放大器U1A以同相配置連接，并實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)負(fù)反饋：
　　1. C5 用于較高頻率范圍內(nèi)的負(fù)反饋。這減少了過(guò)沖和噪聲。
　　2. 光耦合器 Q2 (WL-OPCT 140816140410) 作為電流補(bǔ)償，以補(bǔ)償光耦合器 Q1 (WL-OPCT 140816140410) 的非線性。 Q1和Q2的LED串聯(lián)，其中Q1的光敏三極管控制輸出電路，Q2的光敏三極管是來(lái)自初級(jí)電路（U1A）的電流反饋。只要二極管電流保持在特性曲線的較低范圍內(nèi)，CTR 的非線性就可以通過(guò)兩個(gè)發(fā)射二極管的正向電流 IF 得到很大程度上補(bǔ)償。在電路中，二極管電流受到 R6 (4.7 kΩ) 的限制。
　　圖 9. 使用光耦合器的隔離信號(hào)傳輸電路。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]
　　信號(hào)傳輸二次側(cè)
　　通過(guò)光耦合器 Q1 晶體管的電流取決于輸入電壓。集電極-發(fā)射極路徑與電阻器 R3 (4.7 kΩ) 一起形成一個(gè)分壓器，用于確定通過(guò)處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶體管的電流以及運(yùn)算放大器 U2A 非反相輸入端的 DC 偏移。
　　在運(yùn)算放大器的輸出端，通過(guò)負(fù)反饋環(huán)路，通過(guò)一對(duì)二極管 (D2、D5) 和一個(gè) 220 Ω 電阻器 (R2) 保護(hù)電路免受瞬態(tài)電壓和短路影響。
　　LED 指示輸入處直流電壓和交流電壓信號(hào)的相對(duì)幅度和頻率。
　　電源
　　在次級(jí)側(cè)，運(yùn)算放大器 U2A 通過(guò) FIMM 模塊的電流去耦電壓供電。 +12V 總線電壓通過(guò) MicroModule (U3) 降低至 5 V，并與 FIMM 模塊 (U4) 電隔離。 FIMM 模塊的輸入和輸出之間的寄生電容非常?。ㄍǔ?8 pF），典型值僅為 100 mA。 8 pF 使得可以將電路的次級(jí)側(cè)與初級(jí)電路分開(kāi)。因此，電路本身和所連接的外圍設(shè)備（例如傳感器）的共模干擾都被有效抑制或根本不產(chǎn)生。
　　測(cè)量結(jié)果表明，輸出信號(hào)與原始方波信號(hào)形狀僅略有偏差。隨著頻率上升，要傳輸?shù)男盘?hào)“接地”，即方波信號(hào)的諧波消失，并且可以識(shí)別出近似正弦形式。這里產(chǎn)生的影響是由于光耦合器的傳輸帶寬有限造成的。這里的信號(hào)完整性很大程度上取決于光耦合器在頻率上的線性度。
　　輸入濾波器
　　多級(jí)輸入濾波器在寬頻率范圍內(nèi)提供傳導(dǎo)干擾電壓的衰減，同時(shí)確保輸出電壓幾乎沒(méi)有紋波。該濾波器是已經(jīng)討論過(guò)的 π 濾波器的擴(kuò)展形式。