การแยกสัญญาณดิจิทัลที่มีประสิทธิภาพช่วยเพิ่มความปลอดภัยของแอปพลิเคชันไฟฟ้าแรงสูง

ตราบใดที่วงจรจ่ายไฟมีศักยภาพในการโต้ตอบกับวงจร ฮาร์ดแวร์ โครงสร้างพื้นฐาน หรือผู้ใช้อื่นๆ สถานการณ์แรงดันไฟเกินแบบทำลายล้างอาจเกิดขึ้นได้ การแยกทางกายภาพหรือทางอิเล็กทรอนิกส์ (โดยทั่วไปเรียกว่าการแยกทางไฟฟ้า) ระหว่างจุดโต้ตอบกระแสและศักย์เป็นสิ่งสำคัญสำหรับความปลอดภัยและการทำงานอย่างต่อเนื่องของวงจร การแยกยังสามารถลดสัญญาณรบกวนที่ไม่จำเป็นในสัญญาณเอาท์พุตได้

ข้อกำหนดการแยกส่วนเป็นเรื่องปกติทั่วไปในหุ่นยนต์ อุปกรณ์โครงข่ายไฟฟ้าแรงสูง อุปกรณ์การประชุมเชิงปฏิบัติการในโรงงาน การใช้งานด้านยานยนต์ และผลิตภัณฑ์อุปโภคบริโภค เมื่อออกแบบระบบแยกส่วน จำเป็นต้องคำนึงถึงความจำเพาะของการใช้งานด้วย เช่น แรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่แปรผัน การใช้พลังงานแบตเตอรี่ หรือความจำเป็นในการใช้บรรจุภัณฑ์ขนาดกะทัดรัด

ในการเลือกส่วนประกอบการแยกส่วนที่ถูกต้อง นักออกแบบจำเป็นต้องเข้าใจข้อดี ข้อเสีย และองค์ประกอบของโครงสร้างตัวแยกส่วนต่างๆ ด้วยความเข้าใจนี้ พวกเขาสามารถนำเครื่องแยกกระแสไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพ เชื่อถือได้ และประหยัดพื้นที่มากที่สุดมาใช้ในการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์

ทำความรู้จักกับไอโซเลเตอร์
การแยกไฟฟ้าสามารถทำได้หลายวิธี แต่ทั้งหมดมีหลักการพื้นฐานที่เหมือนกัน กล่าวคือ อินพุทไฟฟ้าแรงสูงที่ด้านปฐมภูมิจะแยกได้จากด้านทุติยภูมิแรงดันต่ำ กระแสต่ำผ่านสิ่งกีดขวางทางกายภาพบางอย่าง รายละเอียดของแผงกั้นการแยกและวิธีการส่งกำลัง สัญญาณ หรือทั้งสองอย่างผ่านแผงกั้นการแยกจะขึ้นอยู่กับประเภทของตัวแยก

ออปโตคัปเปลอร์ใช้ LED เพื่อแปลงสัญญาณที่ด้านปฐมภูมิจากพัลส์ไฟฟ้าไปเป็นโฟตอน ในด้านทุติยภูมิ องค์ประกอบที่ไวต่อแสง เช่น โฟโตทรานซิสเตอร์ โฟโตไดโอด หรือทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามโฟโตอิเล็กทริก จะรับโฟตอนและแปลงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า นอกเหนือจากการแยกวงจรหลักและวงจรทุติยภูมิทางกายภาพแล้ว ออปโตคัปเปลอร์ยังสามารถกำจัดสัญญาณรบกวนที่ไม่จำเป็นในสัญญาณเอาท์พุตได้โดยอัตโนมัติ และป้องกันการต่อสายดิน

ในข้อต่อแม่เหล็ก แรงดันไฟฟ้าที่ขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงจะสร้างสนามแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กนี้จะสร้างแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำบนขดลวดทุติยภูมิ ดังนั้นจึงส่งสัญญาณไฟฟ้าในขณะที่ยังคงแยกตัวทางไฟฟ้า หม้อแปลงไฟฟ้าสามารถมีขดลวดอิสระสองตัวบนแกนเหล็กเดี่ยว หรืออาจเป็นตัวเหนี่ยวนำสองตัว โดยแต่ละตัวมีขดลวดพันรอบแกนเหล็กของตัวเอง โดยแยกจากกันด้วยวัสดุฉนวน เหตุผลที่นักออกแบบเลือกคัปปลิ้งแบบแม่เหล็กก็เนื่องมาจากมีความสามารถด้านแรงดันไฟฟ้าสูง เวลาตอบสนองค่อนข้างเร็ว และความสามารถในการกรองสัญญาณรบกวนออกไป อย่างไรก็ตาม ควรพิจารณาขนาดของตัวแยก ความเป็นไปได้ในการสร้างความร้อน และการเกิดสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าด้วย

ตัวเชื่อมต่อแบบคาปาซิทีฟใช้ตัวเก็บประจุที่ประกอบด้วยอิเล็กโทรดสองตัวคั่นด้วยวัสดุอิเล็กทริก แรงดันไฟฟ้าขาเข้าจะสะสมประจุไว้ที่อิเล็กโทรดด้านปฐมภูมิ สิ่งนี้จะสร้างสนามไฟฟ้าและเหนี่ยวนำแรงดันไฟฟ้าบนอิเล็กโทรดทุติยภูมิ ตัวเชื่อมต่อแบบคาปาซิทีฟเป็นที่ทราบกันว่ามีขนาดเล็ก ใช้พลังงานต่ำ และตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงอินพุตอย่างรวดเร็ว ทำให้สะดวกและมีประสิทธิภาพในการส่งสัญญาณไฟฟ้าผ่านประตูแยก ผู้ออกแบบต้องใช้มาตรการเพื่อปกป้องตัวเชื่อมต่อแบบคาปาซิทีฟจากผลกระทบของแรงดันไฟฟ้าอินพุต ความชื้นในสิ่งแวดล้อม และการสลายไดอิเล็กทริกที่เกินขีดความสามารถ

ติดตั้งตัวแยกสัญญาณดิจิทัล
ตัวแยกประเภทใดๆ ข้างต้นสามารถรวมเข้ากับระบบตัวแยกกระแสดิจิทัลบนวงจรรวม (IC) ได้ โครงสร้างโทโพโลยีเหล่านี้สามารถรวมเข้ากับโมดูลพลังงานหรือส่วนประกอบการส่งสัญญาณเพื่อสร้างระบบแยกสัญญาณดิจิทัลที่สมบูรณ์บนชิปตัวเดียว โครงสร้างโทโพโลยีทั่วไปของระบบแยกสัญญาณดิจิทัล ได้แก่ ฟลายแบ็ก ฮาล์ฟบริดจ์ และพุชพูล

แหล่งจ่ายไฟฟลายแบ็คใช้รูปแบบการแยกแม่เหล็ก ซึ่งรวมตัวเหนี่ยวนำแบบแบ่งเข้ากับตัวแปลงบูสต์แบบบั๊กเพื่อสร้างหม้อแปลงไฟฟ้า ดังนั้นจึงเพิ่มหรือลดแรงดันไฟฟ้าของอินพุตกระแสตรง (DC) เพื่อให้ตรงกับเอาต์พุตที่ต้องการ ข้อเสนอแนะของตัวแปลงบูสต์บั๊กนั้นมาจากขดลวดเหนี่ยวนำสามขั้นตอนหรือออปโตคัปเปลอร์ ขอแนะนำให้ใช้แหล่งจ่ายไฟ flyback ในแอปพลิเคชันที่ใช้พลังงานต่ำ แต่นักออกแบบต้องตระหนักว่าอาจสร้าง EMI ที่ไม่จำเป็นได้

การออกแบบฮาล์ฟบริดจ์ (H-bridge) ประกอบด้วยเครื่องกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยม H-bridge วงจรเรโซแนนซ์ที่ประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำสองตัวและตัวเก็บประจุ (LLC) หนึ่งตัว และวงจรเรียงกระแสสองตัวที่สามารถจ่ายแรงดันเอาต์พุต DC ที่ต้องการได้ เมื่อเปรียบเทียบกับการออกแบบบางอย่าง วงจรเรียงกระแสสามารถบรรลุกำลังเอาต์พุตที่สูงกว่า และขอแนะนำให้ใช้การออกแบบการแยก H-bridge สำหรับการใช้งานที่ใช้พลังงานปานกลาง

แหล่งจ่ายไฟแยกแบบกดดึงใช้หม้อแปลงสองตัวสำหรับการมีเพศสัมพันธ์แบบแม่เหล็ก สวิตช์สองตัวสลับกันสลับหม้อแปลงเพื่อรับแรงดันไฟฟ้าขาเข้า ไดโอดเรียงกระแสแบบเต็มบริดจ์สองตัวที่ด้านทุติยภูมิสามารถทำนายการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าและควบคุมให้เป็นเอาต์พุตแบบสมมาตร

เพื่อปรับปรุงการควบคุม ผู้ออกแบบสามารถเลือกที่จะเพิ่มไดรเวอร์หม้อแปลงไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์แบบพุชพูลได้ ไดรเวอร์นี้รวมออสซิลเลเตอร์ ตัวแบ่งความถี่ และตัวควบคุมลอจิกเพื่อประสานการเปิดและปิดสวิตช์ในโหมด BBM โหมดนี้สามารถสร้างสัญญาณเอาท์พุตที่ค่อนข้างคงที่ ในขณะเดียวกันก็ปกป้องส่วนประกอบภายในและดาวน์สตรีมจากความเสียหายที่เกิดจากการเชื่อมต่อสวิตช์สองตัวพร้อมกัน

ระบบที่มีไดรเวอร์หม้อแปลงไฟฟ้ายังสามารถใช้ตัวควบคุมเชิงเส้นแบบหยดลงต่ำ (LDO) เพื่อควบคุมเอาต์พุต เปลี่ยนไดโอดเรียงกระแส หรือปรับปรุงฟังก์ชันการทำงาน ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าคือความแตกต่างขั้นต่ำระหว่างแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและแรงดันไฟฟ้าขาออก ซึ่งต่ำกว่าซึ่งวงจรไม่สามารถควบคุมเอาต์พุตได้เต็มที่ ใน LDO ความแตกต่างนี้มีน้อยมาก ทำให้มั่นใจได้ถึงการทำงานที่เชื่อถือได้ในช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่กว้าง