智能家居設(shè)備越來(lái)越受歡迎。智能恒溫器、照明系統(tǒng)、安防系統(tǒng)和家庭娛樂(lè)系統(tǒng)已經(jīng)走進(jìn)了千家萬(wàn)戶，為家居功能提供自動(dòng)化管理和無(wú)線控制，讓用戶可以通過(guò)移動(dòng)應(yīng)用程序或數(shù)字面板來(lái)監(jiān)控和管理他們的家。

然而，盡管智能家居設(shè)備存在諸多優(yōu)勢(shì)，在日常家庭使用過(guò)程中，因?yàn)樾枰尤?a target="_blank">電源或攜帶電池供電，用戶仍面臨著一些日益增長(zhǎng)的風(fēng)險(xiǎn)，例如電氣故障可能導(dǎo)致的觸電、火災(zāi)或設(shè)備的直接損壞。

那么，如何確保智能家居設(shè)備的安全性和可靠性呢？

答案是：使用數(shù)字隔離元器件保障電氣隔離很有必要！

01數(shù)字隔離器的定義

數(shù)字隔離器是一種電子元器件，它可以在兩個(gè)電路系統(tǒng)之間提供電氣隔離，同時(shí)又允許數(shù)字信號(hào)在電路之間傳遞。通過(guò)磁耦合或容性耦合，數(shù)字隔離器無(wú)需直接電氣連接即可跨越絕緣層勢(shì)壘進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)字隔離器通常用于需要電氣隔離以保護(hù)敏感電路免受高壓、噪聲或其他危害的應(yīng)用。它們可用于電源、電機(jī)控制、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化以及其他安全性和可靠性攸關(guān)的應(yīng)用。

圖 1 顯示了容性隔離的示意圖。

圖 1：容性隔離示意圖

02什么是隔離器的絕緣等級(jí)

選擇數(shù)字隔離器時(shí)，所需的絕緣電壓是一個(gè)關(guān)鍵性考量因素，因?yàn)樗鼤?huì)影響總體解決方案成本。

隔離器的絕緣等級(jí)通常分類為兩種之一：基本絕緣或加強(qiáng)絕緣。

基本絕緣：提供了足夠的絕緣材料來(lái)保護(hù)人員或設(shè)備免受電氣傷害；但如果絕緣層勢(shì)壘被擊穿，將仍然存在電氣故障風(fēng)險(xiǎn)。有些設(shè)備會(huì)采用兩層基本絕緣層結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)谝粚訐p壞時(shí)，第二層也可以提供保護(hù)措施，這稱為雙重絕緣。

加強(qiáng)絕緣：等效于雙重絕緣，但通過(guò)單一加強(qiáng)絕緣層來(lái)實(shí)現(xiàn)；與基本絕緣相比，絕緣層勢(shì)壘被擊穿的概率較低。

IEC 62368-1 為絕緣電壓等級(jí)的確定提供了一份全面的規(guī)范。

基本絕緣的定義是最小爬電距離為 3.2mm，能夠承受一分鐘2500VRMS和一秒鐘 3kVRMS的耐壓測(cè)試。

加強(qiáng)絕緣要求最小爬電距離為 6.4mm，能夠承受至少一分鐘 5kVRMS和一秒鐘 6kVRMS的耐壓測(cè)試。

以上參數(shù)適用的具體條件請(qǐng)參考相關(guān)安規(guī)文檔。

圖 2 顯示了這三種絕緣等級(jí)模型：基本絕緣、雙重絕緣和加強(qiáng)絕緣。

圖 2：基本、雙重和加強(qiáng)絕緣

爬電距離是沿絕緣表面測(cè)量的隔離器兩側(cè)導(dǎo)電元器件之間的最短路徑。

電氣間隙是與爬電距離類似的一種常見(jiàn)參數(shù)，但它是最短空間距離。

因此，爬電距離總是等于或大于電氣間隙，但兩者都嚴(yán)重依賴于 IC 的封裝結(jié)構(gòu)。

引腳間距和封裝體寬度等參數(shù)與隔離元件的絕緣耐壓等級(jí)有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。引腳間距和封裝體越寬，絕緣耐壓就越大，但同時(shí)占用面積也會(huì)更大，并增加系統(tǒng)整體成本。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和絕緣耐壓要求的不同，可提供與封裝類型相對(duì)應(yīng)的不同絕緣電壓等級(jí)。

小型輪廓集成電路（SOIC）封裝通常具有 1.27mm 引腳間距，并提供窄體（3.9mm 封裝體寬度）或?qū)掦w（7.5mm 封裝體寬度）封裝。

寬體封裝通常用于滿足 5kVRMS 加強(qiáng)絕緣要求，而窄體封裝則用于最大耐受隔離電壓為 3kVRMS 基本絕緣的應(yīng)用。

在某些情況下，對(duì)于部分大于 800V 的系統(tǒng)，可采用爬電距離 >14.5mm 的超寬體封裝來(lái)滿足更寬爬電距離和電氣間隙的要求。

圖 3 顯示了 典型 SOIC 封裝的電氣間隙和爬電距離示意圖。

圖 3：SOIC 封裝的電氣間隙和爬電距離

03數(shù)字隔離器的安全規(guī)范

UL、VDE、CSA 和 CQC 等安全認(rèn)證機(jī)構(gòu)在測(cè)試各種電子系統(tǒng)中隔離器的可靠性與安全性方面發(fā)揮著關(guān)鍵的作用，相關(guān)認(rèn)證說(shuō)明如下：

UL 1577：由美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室（Underwriters Laboratories）頒布，它制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估數(shù)字隔離器的絕緣性能，例如絕緣耐壓、漏電流和絕緣阻抗等參數(shù)，以確保隔離器符合安全要求。

VDE 0884-17 / IEC 60747-17：在全球被認(rèn)可，它通過(guò)更嚴(yán)格的局部放電測(cè)試和器件壽命預(yù)測(cè)來(lái)驗(yàn)證電氣絕緣產(chǎn)品（包括數(shù)字隔離器）的質(zhì)量和安全性。通過(guò)VDE 認(rèn)證，表明隔離器符合指定的安全標(biāo)準(zhǔn)，能夠確保其在多種應(yīng)用中的可靠性和功能性。

加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（CSA）：該機(jī)構(gòu)提供一系列系統(tǒng)級(jí)認(rèn)證，保證數(shù)字隔離器遵循加拿大安全法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，確保其在加拿大各地部署的電子系統(tǒng)中的可靠性和安全性。

中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心（CQC）：GB 4943.1國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)了音視頻、信息技術(shù)和通信技術(shù)設(shè)備的安全要求。

這些安規(guī)認(rèn)證為制造商、工程師和消費(fèi)者提供了信心，讓各地面市的數(shù)字隔離器都可以經(jīng)過(guò)全面的測(cè)試去符合嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)，因此也提高了全球范圍內(nèi)使用的電子設(shè)備和系統(tǒng)的整體安全性與可靠性。

04數(shù)字隔離器與光電耦合器的特點(diǎn)對(duì)比

傳統(tǒng)數(shù)字信號(hào)的隔離傳輸是通過(guò)光電耦合器實(shí)現(xiàn)的。

光電耦合器利用發(fā)光二極管（LED） 和光敏元件（通常為光電晶體管）控制光通過(guò)絕緣勢(shì)壘，從而傳輸信號(hào)。絕緣勢(shì)壘一側(cè)的信號(hào)會(huì)控制點(diǎn)亮和熄滅 LED，當(dāng) LED 發(fā)射的光子撞擊光電晶體管的基極-集電極結(jié)時(shí)，基極中會(huì)形成光電流，并通過(guò)晶體管的電流放大效應(yīng)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流，從而控制另一側(cè)電路輸出相同的數(shù)字信號(hào)。

數(shù)字隔離器具有四個(gè)關(guān)鍵特性，使其比光電耦合器更適合智能家居設(shè)備：

低功耗：數(shù)字隔離器無(wú)需驅(qū)動(dòng)電流去激發(fā)光源，而是使用更高效的隔離技術(shù)來(lái)傳輸信號(hào)，因此是電池供電設(shè)備（例如智能恒溫器或安防傳感器）的理想選擇。

高速數(shù)據(jù)傳輸：光電晶體管的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，這限制了光電隔離器的帶寬。數(shù)字隔離器可以更快地傳輸信號(hào)，實(shí)現(xiàn)智能家居設(shè)備與控制系統(tǒng)之間更快速、更可靠的通信。

低電磁干擾（EMI）：EMI 會(huì)干擾家中的電子設(shè)備。采用容性隔離技術(shù)可以讓數(shù)字隔離器具有更好的電磁兼容性能。

寬工作溫度范圍：數(shù)字隔離器能夠適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，包括戶外應(yīng)用。

05數(shù)字隔離技術(shù)的類型

新型數(shù)字隔離技術(shù)常見(jiàn)兩種類型：磁隔離和容性隔離。

磁隔離依靠變壓器線圈耦合利用磁場(chǎng)傳輸信號(hào)；而容性隔離通過(guò)電容結(jié)構(gòu)，利用電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)跨絕緣壁壘的信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)電氣絕緣，防止兩側(cè)電路之間直接形成電流流動(dòng)，并在輸入和輸出電路之間提供絕緣。

容性隔離因具有以下優(yōu)點(diǎn)而成為最常用的隔離方法：

更高數(shù)據(jù)速率：與磁隔離相比，容性隔離擁有更高的數(shù)據(jù)速率，因此可用于需要快速可靠通信的應(yīng)用。

更低功耗：與磁隔離或光隔離相比，容性隔離通常功耗更低，因此是適用于電池供電設(shè)備的節(jié)能選擇。

更小尺寸：容性隔離器通常比磁隔離器或光隔離器更小，因此更容易集成到小型電子設(shè)備中。

更低成本：容性隔離器通常比光隔離器更便宜，因?yàn)楣飧綦x器中有昂貴的光電元件，例如 LED 和光敏晶體管。

更高 EMI 抗擾度：與磁隔離相比，容性隔離不易受 EMI 影響，因此在嘈雜環(huán)境中是更可靠的選擇。

圖 4 顯示了傳統(tǒng)光隔離、磁隔離和容性隔離的比較。

圖 4：光隔離、磁隔離與容性隔離

采用哪種類型的數(shù)字隔離取決于應(yīng)用規(guī)格，例如所需的數(shù)據(jù)速率、溫度范圍或環(huán)境中的電氣噪聲水平。

圖 5 顯示了一個(gè)智能冰箱的功能框圖，其中用到了三個(gè)數(shù)字隔離器。

圖 5：智能冰箱的功能框圖

06MP279xx 系列產(chǎn)品介紹

MP279xx 是 MPS 提供的高性能數(shù)字隔離器系列，其中包括：MP27922,MP27931,MP27933,MP27940,MP27942,MP27960等。

該系列產(chǎn)品中包含雙通道、四通道和六通道數(shù)字隔離器，并具有多種正向和反向通道組合，非常適合智能家居設(shè)備應(yīng)用。

其產(chǎn)品編號(hào)的最后兩位數(shù)字代表正向和反向通道的數(shù)量。例如，MP27922是一款四通道數(shù)字隔離器，它具有兩個(gè)正向通道和兩個(gè)反向通道。

MP279xx 系列數(shù)字隔離器已經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可取代傳統(tǒng)光電耦合器，其優(yōu)勢(shì)列舉如下：

符合 UL 1577 標(biāo)準(zhǔn)的 5000VRMS 絕緣耐壓，非常適合要求可靠的應(yīng)用。

比傳統(tǒng)光隔離器尺寸更小、功耗更低、運(yùn)行更可靠。

在最大限度降低功耗的同時(shí)，還能在寬溫度范圍內(nèi)保持高性能。

支持高達(dá) 150Mbps 的數(shù)據(jù)速率。

MP279xx 系列產(chǎn)品采用容性隔離技術(shù)，可支持高達(dá) 5kVRMS 的絕緣耐壓。

該系列器件符合 UL、VDE、CSA 和 CQC 等相關(guān)安全認(rèn)證；同時(shí)提供施密特觸發(fā)器輸入和高頻調(diào)制/解調(diào)機(jī)制，可在嘈雜的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高電磁兼容性；此外還提供可選默認(rèn)高/低電平失效保護(hù)輸出，即使輸入信號(hào)電源發(fā)生故障，也能支持確定的輸出電平。

07數(shù)字隔離器在智能家居設(shè)備中的應(yīng)用

在控制系統(tǒng)和電器電路之間提供電氣隔離，對(duì)于確保用戶安全以及保護(hù)智能家居設(shè)備免受外界干擾或黑客攻擊至關(guān)重要。

例如智能照明系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)、智能恒溫器和智能家居娛樂(lè)系統(tǒng)等，都集成了數(shù)字隔離器。

1智能照明系統(tǒng)

在智能照明系統(tǒng)中，數(shù)字隔離器在控制系統(tǒng)和高壓照明電路之間提供隔離，從而防止用戶接觸到高壓電信號(hào)。

2智能安防系統(tǒng)

在智能家居安防系統(tǒng)中，數(shù)字隔離器可在控制系統(tǒng)和傳感器或攝像頭之間提供隔離。將敏感的控制電路與外界隔離可避免安防系統(tǒng)受到外部干擾。

3智能恒溫器

在智能恒溫器中，數(shù)字隔離器在控制系統(tǒng)和加熱或冷卻電路之間提供隔離。這最大限度地減少了加熱或制冷電路中的高壓或大電流信號(hào)對(duì)控制系統(tǒng)的損壞。

4智能家居娛樂(lè)系統(tǒng)

智能家居娛樂(lè)系統(tǒng)（例如智能音箱）中，數(shù)字隔離器可在控制系統(tǒng)與音頻或視頻電路之間提供隔離。這樣可防止對(duì)音頻或視頻信號(hào)產(chǎn)生干擾或噪聲，從而實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)播放。

總結(jié)

數(shù)字隔離器是許多電子設(shè)備（包括智能家居設(shè)備）的重要組成部分，它為隔離電路之間的信號(hào)傳輸提供了一種安全有效的解決方案，同時(shí)避免了物理上的直接連接以及電氣直連帶來(lái)的安全隱患和性能降級(jí)。

MP279xx 系列數(shù)字隔離器采用容性隔離技術(shù)提供強(qiáng)大的隔離解決方案。與其他形式的隔離技術(shù)相比，它具有多項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，包括更高數(shù)據(jù)速率、更低功耗、更小尺寸、更低成本和更佳 EMI 抗擾能力。