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光耦:在通信端口中减轻EMI/RFI的小尺寸、高性价比解决方案

Jose Espina?? Vishay光电子部门产品市场工程师?? 2016年05月04日 ?? 收藏0
光耦最常见的用途是提供安全隔离,以符合国内和国际的法规要求。在这方面,光耦能够非常有效地将致命的高压电势与电源等设备中用户能碰到的低压电路隔离开。而且,光耦被证明是一种节约PCB空间的高性价比方案。除了提供安全隔离,光耦的另一个好处常常被忽视,那就是隔离电噪声。光耦器件可以在板级和系统级上被用来减少噪声的影响。

光耦让信号穿过多噪声电路和更敏感电路的边界,不要求敏感电路与干扰电路的多噪声接地层使用公用的参考地。光耦能够简便地把电路板的不同区域有效分开,可极大降低系统中需要噪声和灵敏度水平变化不定的子电路的设计风险。只要有足够的时间,大多数设计工程师可以通过优化电路板布局、PCB分区、有效的滤波、精选元器件、选择时钟频率等方法,不需要使用光耦就能实现这个目标。然而,光耦能够大大简化这个过程,用正确的耦合器把噪声与干净的电路隔离开。此外,完成这项工作只需要把电路板稍微改动一下,可减少设计风险和设计循环时间。

光耦的隔离有效性可以从功能和法规两方面来考量。功能方面是显然的。只要有足够多的有害信号耦合进来,电路或电子系统就会停止工作,或间歇地工作。噪声干扰的另一个方面是法规。国内和国际的政府机构要求电子系统不仅要达到适当的功能和性能,而且不能干扰广播频率和其他电子设备。而且,政府机构要求电子系统不能受外部的电磁场的影响。本文中,我们将聚焦在EMI(电磁干扰)和RFI(射频干扰)。

不管是里面的或内部的,很多系统都需要使用会用到电气布线的外部通信端口。所有的布线可能会构成一个天线,对电子系统的负面影响主要有两方面。首先是会把外部环境的噪声耦合进所说的目标系统,或是产生镜像效应,RF耦合回路做为辐射体把RF能量辐射到外面的环境中。在第一种情况下,无意的RF耦合能够对目标设备的性能造成负面影响。在第二种情况下,辐射的RF信号可能超过法律标准所允许的辐射噪声的总量,或干扰外部设备的工作。

减轻这两种烦人现象的方法分为三类:减少发射设备产生的噪声总量;降低耦合天线的效率;使用各种体积大、昂贵的滤波或屏蔽方法,阻值噪声达到敏感设备。后一种方法的缺点是效果有限,成本也高得惊人。光耦提供了一个非常有效的滤波器,能够防止RF噪声进入电缆,也防止电缆噪声耦合进目标设备。光耦的噪声隔离可以用从光耦的原边到附边的等效电容模型来简单但有效地描述,如图1所示。

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图1:光耦的噪声隔离可以用光耦初级侧到次级侧的等效电容模型来描述。在这个示例中,等效电容是0.6pF,非常低。

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图2:低耦合电容会使得器件对共模干扰具有非常高的抵御能力

如图2所示的非常高的共模干扰抵御能力,是图1的极佳低耦合电容的成果。光耦能够隔离RS-485、RS-232、I2C、CAN等低速总线,4mA~20mA电流环路应用,以及速率达数Mbit的Profibus和其他要求高噪声抵御能力的高速通信接口的I/O端口。这种要求不仅限于工业应用的恶劣环境对噪声的抵御能力。在汽车应用以及要求不那么严格的商用和消费应用中,光耦的使用日益增加。随着光耦数据速率的提高,在通信上的应用数量也在增加,非常好地起到减轻EMI和RFI的作用。

还有其他一些方法能够减轻耦合到通信电缆中的EMI/RFI,但光耦是最简单、效果明确、尺寸小和性价比高的解决方案。如图3所示,少量光耦就能够替代尺寸要大许多,也更贵的铁氧体和铜屏蔽。当设计项目同时受到进度、范围和成本的约束时,光耦是减轻通信端口的EMI/RFI的不二之选。

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图3:光耦可以替代更大、更昂贵的铁氧体和铜屏蔽

最后,重要的一点是,不同于使用高频载波信号将信号从隔离屏障上传送过去的隔离技术,“光学”辐射体自己不会产生电磁辐射。不论我们讨论的是电磁的或电容的隔离方案,这两种隔离策略都要求从隔离器内部产生高频电信号。这些高频电信号本身就构成一个EMI/RFI辐射源。探测高频载波信号的内部电路也容易受到外部电磁噪声源的影响。在预计存在高强度磁场和电场的工业应用中,这一条是需要牢记的重点。


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通信? 天线?

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