信號傳輸無處不在。例如在工業應用中，電動汽車 (EV) 充電站和帶有可編程邏輯控制器 (PLCs)的自動化系統都可能存在對人體造成危險的高電壓（高達幾千伏）。這種危險的高電壓可能穿過信號線，造成信號干擾，并最終損壞終端電子設備。

讓信號和電源通過隔離屏障將有助于解決這個問題。本文將介紹串行外設接口 (SPI) 以及 RS-232、RS-485 和 CAN 接口通信的信號隔離，同時以MPS簡單易用的超小尺寸電源模塊解決方案MIE1W0505BGLVH為例，說明如何將隔離式電源模塊應用于信號隔離。

隔離簡介

同時傳輸電源和信號并確保其隔離對工程師來說是一項挑戰，因為隔離對人身安全、系統保護和信號完整性都至關重要。

1.安全性: 工業機器人、電動汽車充電站或醫療設備等應用都用到了高達千伏的電壓水平，而人類只能承受約36V的電壓。隔離可以保護用戶免受危險的高電壓傷害。

2.系統保護: 隔離技術可以保護重要設施和電子設備免受浪涌電壓造成的損壞。

3.信號完整性: 信號傳輸可能受外部電磁干擾（EMI）的影響，而隔離將有助于保持信號的完整性。

半導體隔離技術

半導體 IC 具有集成隔離屏障，可在電氣系統中提供隔離功能。采用隔離式 IC 是一種簡單的方法，它可以構建高壓、大功率系統而無需添加隔離電路。常見的半導體隔離技術包括：

1.光隔離: 光耦合器是一種無源元件，它可將電信號轉換為光信號，然后再將光信號轉換回電信號。在這個過程中，電信號可以通過光學載體（例如發光二極管LED）傳輸。光耦合器廣泛應用于反激式電源設計和其他信號傳輸場景。

2.容性隔離: 電容可以阻止直流電流的流動，同時讓交流電流通過。利用這一特性，在信號流經電容時對其進行調制，就可以實現信號傳輸過程中的隔離。光隔離中的LED需要較大的偏置電流，而容性隔離僅需要少量的偏置電流。此外，容性隔離還具有更高的傳輸速度、更低的傳播延遲和強大的抗電磁干擾能力。

3.磁隔離: 電源和信號還可以通過磁線圈產生的磁場耦合來傳輸。磁隔離通常采用變壓器來實現，多用于開關電源和電源模塊設計。

如何將隔離式電源模塊應用于信號傳輸

信號傳輸有多種類型，其中包括SPI、RS-485、RS-232和CAN。在大功率工業應用中，當信號從一個硬件系統傳輸到另一個硬件系統時，硬件系統會不可避免地受到危險的高電壓影響。

這些高電壓還會破壞信號鏈。因此，必須使用信號隔離器和隔離式電源模塊。如圖 1所示，本文將介紹如何將隔離式電源模塊用于信號傳輸（SPI、RS-485、RS-232 和 CAN）。

串行外設接口(SPI)

SPI 是一種高速全雙工通信模式，可通過4個信號通道（3 個正向和 1 個反向）傳輸信號（見圖 2）。信號可以從主機傳輸到從機，也可以反向傳輸。要實現信號傳輸過程中的電氣隔離，設計人員可以在主設備微控制器 (MCU) 和從設備（收發器）之間添加電氣隔離屏障。

電氣隔離屏障可以通過數字隔離器（如MP27631）和隔離式電源模塊（如 MIE1W0505BGLVH）來實現（見圖 3）。信號隔離器在提供隔離的同時允許信號通過； 但它是有源元件，需要在其原邊和副邊施加偏置電壓。MIE1W0505BGLVH 是新一代高性價比的隔離式電源模塊，它具有出色的 EMI 抗擾度以及線性和負載調整率。該電源模塊采用超小尺寸 LGA (4mmx5mm) 封裝，支持高達 2.5kV 的隔離電壓。

RS-485

在 RS-485 協議中，信號在雙絞線中以差分方式傳輸（其中線 1 = A線，線 2 = B 線）。 A線和B線之間定義了兩個邏輯電平，正邏輯電平范圍為+2V至+6V，負邏輯電平范圍為-2V至-6V。這兩個邏輯電平等效項實現了系統狀態的啟用和禁用。差分傳輸極大地提高了系統的 EMI 抗擾度。這種傳輸方法需要 3 個信號通道，它廣泛應用于運動控制和控制系統處理等工業應用（見圖 4）。

RS-232

RS-232 協議是一種簡單的點對點通信協議（見圖 5）。與RS-485相比，RS-232的傳輸速度較慢，距離也較短，在老一代 PCB 中應用較為廣泛。

CAN

CAN協議由德國博世公司開發，具有高可靠性和高性能。與RS-485相比，CAN總線的實時通信速度更快、更穩定。與此同時，CAN 拓撲結構更簡單，它只需要兩個信號通道（見圖 6）。CAN通信協議廣泛應用于汽車、醫療和工業設備等高可靠性應用。

實際應用中的隔離式電源模塊

我們以實際應用為例來說明如何使用隔離式電源模塊。

PLC系統

PLC 是專為工業自動化系統設計的數字控制單元。PLC中包括 CPU、存儲器、I/O、電機驅動器和電源。它是工業自動化系統的大腦，可以控制機械運動，通過傳感器檢測氣體壓力、溫度，通過人機界面（HMI）與人交互，并實現與其他電氣設備的數據通信。

MIE1W0505BGLVH等隔離式電源模塊可以通過 RS-485 接口或 I/O 接口為數據通信鏈提供強大的電源。圖 7 顯示了 PLC 的功能框圖。

電動汽車充電站

新能源正在重塑整個世界，在人們不斷尋求可持續能源的過程中，電動汽車 (EV) 也會更加普及。 充電站從電網中獲取電力，再提供給電動汽車電池用于充電。電網的輸出電壓(VOUT)或充電站的輸入電壓(VIN)最高可達480VAC，非常危險。MIE1W0505BGLVH 等隔離式電源模塊能夠提供高可靠的隔離技術，保護驅動器甚至汽車電子設備免受高電壓的影響。圖 8 顯示了電動汽車充電站的功能框圖。

電動自行車（E-Bike）

經濟快速增長的人口稠密城市面臨著交通擁堵的問題，這增加了人們的通勤時間，增加了碳排放，還可能發生事故導致受傷。電動自行車則是一種新興且便捷的交通方式，尤其適用于短距離交通。 MIE1W0505BGLVH 等電源模塊可以保護騎行者免受E-Bike 48V 電池組的傷害，同時還能保持信號通信接口的信號完整性。圖 9 顯示了電動自行車的功能框圖。

結語

本文闡述了隔離的基本概念以及如何使用隔離式電源模塊（例如 MIE1W0505BGLVH）實現信號隔離。MIE1W0505BGLVH是一款簡單易用、性能卓越的超小尺寸電源模塊解決方案。

隨著物聯網（IoT）應用的不斷發展和更多能源需求，工業環境將變得越來越復雜。尤其當工業設備和人類使用設備之間需要額外的信號集成時，設計人員更是面臨不斷變化的挑戰。除了數字隔離器、隔離式柵極驅動器和變壓器驅動器等產品以外，隔離式電源模塊也成為滿足應用需求必不可少的一員。