为什么选择电容隔离：智能城市传感器的重要组成部分

1.前言

随着全球每个角落的城市化进程不断发展，应对这种增长的答案就是智慧城市。建设智慧城市涉及基础设施的范式转变，具有复杂的网络和关键模块之间的通信控制，例如基于社区的电网、公用事业和天气监测。

基础设施网络的支柱是传感器技术。传感器是一种设备、模块或子系统，用于检测其环境中的事件或变化，并将该信息发送到其他电子设备，例如计算机处理器。我们可以想象这个传感器连接到实际系统，该系统可能是来自社区电网一部分的屋顶太阳能的逆变器；供暖、通风和空调 (HVAC) 系统；或用于家庭或商业建筑、自动洗衣店或洗车系统的自动化系统。

这些系统有什么共同点？所有这些系统都在高电压下运行并消耗或提供大量电流。传感器数据必须传输到控制器端（转换测量值以供人类读取的设备）。该控制器也可以是人机界面 (HMI)，例如用于监控家中太阳能逆变器能量输出的触摸屏。因此，传感器侧的任何高压——如果暴露在控制器侧——不仅可能损坏控制器，而且可能对人体构成危害。在高度涉及自动化、过程控制和测试的工厂环境中，或者在与患者直接接触的医疗设备中，也可能存在同样的风险。

2.为什么要隔离

为了防止高压危险，我们需要一个隔离器作为屏障，阻断共模电压，同时仍然允许传感器和控制器之间的信号电压。隔离器可在涉及高电压和高功率的恶劣环境中实现强大的整体系统。

智慧城市的另一个关键标准是快速的数据速率。由于传输数据和信号需要高功率，因此只有使用需要隔离的电信基础设施才能实现这一点。例如，智慧城市的市民希望无人机能够快速运送他们在网上订购的外卖食品。这种期望需要超快速通信，这需要电信基础设施通过基站和手机发射塔以高功率水平向移动设备传输数据。

3. 如何隔离

电流隔离是指在主源体和接受体之间没有电耦合(即不用导线连接)的情况下从主源体向接受体传递信号.为了在电流隔离电路之间传递电信号往往利用磁场能量变压器隔离或光能(光导发光元件隔离）。

电流隔离是一种隔离电气系统功能部分的技术，以防止直流或不受控制的瞬态电流在它们之间流动。然而，数据和能源仍然需要通过电流隔离屏障。

电流隔离屏障基于光学、磁性或电容隔离技术，如图 1 所示。

三种技术中的每一种的屏障介质都不同，但最终目标是相同的。光隔离是三种技术中最古老的，并且使用简单。光学技术基于发光二极管 (LED)，其中由二极管传输的光传输数据。然而，光隔离的缺点是速度低（因为 LED 需要时间打开）、高功耗以及在其整个生命周期中的性能下降。由于 LED 的物理尺寸限制，很难减小隔离器件（隔离器、隔离栅极驱动器）的尺寸

在磁性和电容隔离中，数据以数字方式通过屏障传输。磁隔离，也称为电感隔离，脉冲电流以高达 100Mbps 的速度通过隔离屏障。然而，功耗随着数据速率的增加而增加。磁隔离对电磁干扰也很敏感，并且在涉及电机的 HVAC 系统和工厂自动化等环境中，强磁场很强且普遍存在。

图 1：隔离技术

电容隔离是更好的解决方案

与磁隔离一样，电容隔离具有数字电路，用于对通过隔离屏障的输入交流信号（电容器不能传递直流信号）进行编码和解码。电容隔离器无法通过 DC 信号，这使得它们天生就是隔离的正确选择。电容隔离器不易受磁噪声影响，同时保持高数据速率和低功耗。

在恶劣的环境和应用中，我们可以看到电容隔离优于光和磁隔离技术的价值。看到智能城市基础设施的快速增长尤其令人兴奋，隔离是一个不可或缺的组成部分。