固態(tài)隔離器 （SSI） 是為可編程邏輯控制器 （PLC） 提供隔離的有效工具。在 PLC 中使用 SSI 時(shí)，需要考慮幾個(gè)重要的因素，以確保最佳性能、可靠性和安全性。

本文簡(jiǎn)要回顧了 SSI 在 PLC 中的應(yīng)用，研究了安全系統(tǒng)架構(gòu)選項(xiàng)，并回顧了實(shí)現(xiàn)隔離的技術(shù)選項(xiàng)，特別關(guān)注 SSI 的使用。

需要 PLC 來(lái)支持工業(yè)、綠色能源和基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中越來(lái)越多地使用網(wǎng)絡(luò)控制（圖 1）。需要隔離以保護(hù) PLC 和連接的設(shè)備免受電氣故障、噪聲以及不同電壓水平或接地電位差造成的潛在損壞。它確保在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中可靠、安全地運(yùn)行，特別是在存在多個(gè)電源或嘈雜信號(hào)的情況下。

圖 1.PLC 和隔離柵在各種工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中都是必需的。（圖片來(lái)源：零儀器)

安全架構(gòu)選項(xiàng)

在 PLC 中實(shí)現(xiàn)電流隔離有兩種常見方法：組隔離或通道間隔離連接（圖 2）。當(dāng)成本是主要因素并且通道可以共享公共電源時(shí)，通常使用組隔離。通道間隔離因其穩(wěn)健性和靈活性而受到青睞，特別是在處理不同的電源或潛在的噪聲干擾時(shí)。

圖 2.PLC 中的電流隔離可以使用組隔離或通道間隔離來(lái)實(shí)現(xiàn)。（圖片：Analog Devices）)

選擇最佳技術(shù)

電流隔離可以使用具有不同性能特征的各種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員需要確認(rèn) SSI 是最佳選擇。光耦合器可以提供高水平的隔離，但它們的數(shù)據(jù)速率有限，約為 50 Mb/s。這使得它們適用于 I2C 等中低速率應(yīng)用，但不適用于需要高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用。此外，LED 會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化，從而降低性能并限制光耦合器的使用壽命。

電感耦合可以提供更高水平的性能。它使用傳統(tǒng)的變壓器通過(guò)隔離柵發(fā)送信號(hào)和/或電源。變壓器的使用壽命長(zhǎng)，不會(huì)像 LED 那樣退化。然而，磁芯材料可能會(huì)出現(xiàn)飽和或滯后，從而降低連接的一致性和可靠性。

電容隔離可用于使用電場(chǎng)在電隔離電路之間傳輸信號(hào)或電力。它可用于需要高速數(shù)據(jù)傳輸和抗磁場(chǎng)的應(yīng)用。然而，它可能對(duì)電場(chǎng)和電壓尖峰敏感，并且處理高電壓的能力可能會(huì)受到限制。

基于空心杯變壓器和功率半導(dǎo)體的SSI提供了第四種選擇。它們有單通道和多通道設(shè)計(jì)。無(wú)芯變壓器設(shè)計(jì)，有時(shí)稱為磁耦合，與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 （CMOS） 制造兼容，從而簡(jiǎn)化了高度集成解決方案的生產(chǎn)。使用二氧化硅 （SiO2） 電介質(zhì)可提供非常薄的高壓隔離（圖 3）。

圖 3.單通道集成SSI解決方案的框圖（上）和無(wú)芯變壓器結(jié)構(gòu)示例（下）。（圖片來(lái)源：英飛凌)

SSI 應(yīng)用注意事項(xiàng)

除了單通道與多通道設(shè)計(jì)等基本性能特征外，集成 SSI 和 PLC 時(shí)還需要考慮幾個(gè)應(yīng)用因素。

• SSI 的負(fù)載能力，包括最大電壓（交流或直流）和電流，以及輸出開關(guān)速度，必須符合應(yīng)用要求。

• SSI 的輸入必須與 PLC 的輸出信號(hào)兼容。例如，一些 PLC 具有 3.3 V 輸出和 16 mA 的典型電源電流。

• 過(guò)流和過(guò)溫保護(hù)等集成保護(hù)功能可以簡(jiǎn)化集成并提高工業(yè)環(huán)境中的可靠性。

• 傳輸線端接很重要，尤其是在惡劣的環(huán)境中。通過(guò)插入串聯(lián)電阻器并使信號(hào)源的（表觀）輸出阻抗等于線阻抗，信號(hào)源處的反射因數(shù)可以為零，從而確保干凈準(zhǔn)確的開關(guān)。

• 熱管理可能是一個(gè)重要的考慮因素。SSI 產(chǎn)生的熱量取決于幾個(gè)因素，包括功率半導(dǎo)體散發(fā)的熱量和占空比。必須提供散熱器和氣流以保持足夠的熱裕度。

總結(jié)

選擇和使用 SSI 首先要在單通道和多通道架構(gòu)之間進(jìn)行選擇，并確認(rèn)基于 CT 的 SSI 是基于應(yīng)用需求的最佳技術(shù)選擇。SSI 集成考慮因素包括負(fù)載特性、輸入兼容性、所需的保護(hù)功能、傳輸線端接和熱管理。