1.前言

隨著全球每個角落的城市化進程不斷發(fā)展，應(yīng)對這種增長的答案就是智慧城市。建設(shè)智慧城市涉及基礎(chǔ)設(shè)施的范式轉(zhuǎn)變，具有復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)和關(guān)鍵模塊之間的通信控制，例如基于社區(qū)的電網(wǎng)、公用事業(yè)和天氣監(jiān)測。

基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的支柱是傳感器技術(shù)。傳感器是一種設(shè)備、模塊或子系統(tǒng)，用于檢測其環(huán)境中的事件或變化，并將該信息發(fā)送到其他電子設(shè)備，例如計算機處理器。我們可以想象這個傳感器連接到實際系統(tǒng)，該系統(tǒng)可能是來自社區(qū)電網(wǎng)一部分的屋頂太陽能的逆變器；供暖、通風和空調(diào) (HVAC) 系統(tǒng)；或用于家庭或商業(yè)建筑、自動洗衣店或洗車系統(tǒng)的自動化系統(tǒng)。

這些系統(tǒng)有什么共同點？所有這些系統(tǒng)都在高電壓下運行并消耗或提供大量電流。傳感器數(shù)據(jù)必須傳輸?shù)娇刂破鞫耍ㄞD(zhuǎn)換測量值以供人類讀取的設(shè)備）。該控制器也可以是人機界面 (HMI)，例如用于監(jiān)控家中太陽能逆變器能量輸出的觸摸屏。因此，傳感器側(cè)的任何高壓——如果暴露在控制器側(cè)——不僅可能損壞控制器，而且可能對人體構(gòu)成危害。在高度涉及自動化、過程控制和測試的工廠環(huán)境中，或者在與患者直接接觸的醫(yī)療設(shè)備中，也可能存在同樣的風險。

2.為什么要隔離

為了防止高壓危險，我們需要一個隔離器作為屏障，阻斷共模電壓，同時仍然允許傳感器和控制器之間的信號電壓。隔離器可在涉及高電壓和高功率的惡劣環(huán)境中實現(xiàn)強大的整體系統(tǒng)。

智慧城市的另一個關(guān)鍵標準是快速的數(shù)據(jù)速率。由于傳輸數(shù)據(jù)和信號需要高功率，因此只有使用需要隔離的電信基礎(chǔ)設(shè)施才能實現(xiàn)這一點。例如，智慧城市的市民希望無人機能夠快速運送他們在網(wǎng)上訂購的外賣食品。這種期望需要超快速通信，這需要電信基礎(chǔ)設(shè)施通過基站和手機發(fā)射塔以高功率水平向移動設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。

3. 如何隔離

電流隔離是指在主源體和接受體之間沒有電耦合(即不用導(dǎo)線連接)的情況下從主源體向接受體傳遞信號.為了在電流隔離電路之間傳遞電信號往往利用磁場能量變壓器隔離或光能(光導(dǎo)發(fā)光元件隔離）。

電流隔離是一種隔離電氣系統(tǒng)功能部分的技術(shù)，以防止直流或不受控制的瞬態(tài)電流在它們之間流動。然而，數(shù)據(jù)和能源仍然需要通過電流隔離屏障。

電流隔離屏障基于光學(xué)、磁性或電容隔離技術(shù)，如圖 1 所示。

三種技術(shù)中的每一種的屏障介質(zhì)都不同，但最終目標是相同的。光隔離是三種技術(shù)中最古老的，并且使用簡單。光學(xué)技術(shù)基于發(fā)光二極管 (LED)，其中由二極管傳輸?shù)墓鈧鬏敂?shù)據(jù)。然而，光隔離的缺點是速度低（因為 LED 需要時間打開）、高功耗以及在其整個生命周期中的性能下降。由于 LED 的物理尺寸限制，很難減小隔離器件（隔離器、隔離柵極驅(qū)動器）的尺寸

在磁性和電容隔離中，數(shù)據(jù)以數(shù)字方式通過屏障傳輸。磁隔離，也稱為電感隔離，脈沖電流以高達 100Mbps 的速度通過隔離屏障。然而，功耗隨著數(shù)據(jù)速率的增加而增加。磁隔離對電磁干擾也很敏感，并且在涉及電機的 HVAC 系統(tǒng)和工廠自動化等環(huán)境中，強磁場很強且普遍存在。

圖 1：隔離技術(shù)

電容隔離是更好的解決方案

與磁隔離一樣，電容隔離具有數(shù)字電路，用于對通過隔離屏障的輸入交流信號（電容器不能傳遞直流信號）進行編碼和解碼。電容隔離器無法通過 DC 信號，這使得它們天生就是隔離的正確選擇。電容隔離器不易受磁噪聲影響，同時保持高數(shù)據(jù)速率和低功耗。

在惡劣的環(huán)境和應(yīng)用中，我們可以看到電容隔離優(yōu)于光和磁隔離技術(shù)的價值?？吹?strong>智能城市基礎(chǔ)設(shè)施的快速增長尤其令人興奮，隔離是一個不可或缺的組成部分。