在汽車、工業和綠色能源領域的許多系統中，保護系統免受電壓浪湧和雜訊的影響至關重要。
電子系統設計中存在兩種不同的趨勢，二者均支持電機的電子系統。一方面是向千伏級別發展的發電和電氣分配子系統。另一方面是高速MCU，能夠實現先進演算法以優化系統性能，並在接近1V的電壓下運行。
在汽車、工業和綠色能源領域的各種系統中，設計人員正在尋求利用寬頻隙電晶體技術。這種技術不僅能夠支援更高頻率的操作，還能夠支援更高電壓的作業。高頻操作使得電路密度得以提高，但傳統的體矽工藝技術由於開關損耗的限制而難以實現。相比之下，寬頻隙器件則不會遭受相同的損耗影響。
寬頻隙技術也更加穩健，能夠處理比許多矽器件更高的供電電壓。這意味著能夠以較低成本實現高功率密度。由此可以製造更小的變頻器，並且在汽車系統中，充電器可以跨多個電芯傳遞更多能量來支援快速充電協定。
更高頻率的運行意味著使用控制演算法生成脈衝寬度調製（PWM）信號，可快速回應感測器信號，並確保功率電晶體開關操作正確同步。此外，更複雜的控制演算法還可優化電機和變頻器的性能以提高效率。
低電壓器件及其周圍的支援器件需要受到保護，以防止來自高電壓的浪湧和尖峰。如果系統的不同部分之間沒有隔離，電氣雜訊和尖峰可能會從高電壓子系統傳播到低電壓電路。在同一塊PCB板上或在同一系統記憶體在高電壓和高電流電路的話可能會導致許多問題，包括瞬態問題如數據損壞、安全隱患以及對這些設備內部電路的永久性損壞。
高電流尖峰可能會損壞半導體元件，並可能導致閂鎖條件，從而導致系統整體故障。如果在設計時未考慮元件承受這些應力的能力，那麼由此產生的熱量可能引起火災。這些尖峰可能導致絕緣破壞，從而使I/O線纜攜帶危險電壓和電流水準，這可能使操作人員和用戶面臨電擊風險。即使在相對較低的電流水準下，反復受到電壓浪湧也可能導致隔離屏障材料的逐漸破壞，從而降低系統的可靠性。
此外，電氣雜訊也可能成為問題。此類雜訊會干擾敏感混合信號元件的輸入，例如模數轉換器，導致錯誤讀數。更強的脈衝可能會導致從記憶體和其他數位週邊設備傳輸到主處理器時發生位翻轉。
圖1：PLC中的隔離位置
(作者：東芝半導體，來源：https://mp.weixin.qq.com/s/UGVQYTpyU63beDjSPM4MLw)
隨著設備中需要保護的位置持續增加。除了需要內部I/O外，通常子系統還將通過網路彼此通信，以進一步提高效率並更好地對突然變化的條件做出協調回應。這表明了對線纜網路和系統背板進行高速通信的需求不斷增長。特別是在許多工業系統的惡劣電氣環境中，這些連接也需要保護以免受高壓尖峰和其他電磁干擾（EMI）的損害。
典型可程式設計邏輯控制器（PLC）的架構提供了許多需要保護的不同信號示例。在許多PLC中，系統功能被劃分為幾個相互協作的模組，這些模組通過共同的背板連接。背板通常提供低壓電源軌，其工作電壓可達24V，以及供應給控制模組的5V控制路徑，並包含電源模組的供電。
電源模組通常分為低電壓和高電壓部分。需要保護用於控制功率電晶體開關的PWM信號線。為了避免擊穿等類似開關問題，可能需要多個PWM信號，這會增加並行控制信號的數量。通過在同一隔離器件中支援反向信號，錯誤和感測器信號便可以從電源級傳遞到控制器。
PLC通常會包含用於外部感測器信號的類比和數位I/O模組。需要跨這些不同信號保護系統，並且以最少的占板空間支援高傳輸速率。網路模組可能需要以高達100Mb/s的速率傳輸資料，並且要加以保護，免受高壓損壞和電氣雜訊影響。
在跨電壓域傳播浪湧的保護中，電氣隔離的關鍵在於在高電壓和低電壓域之間斷開電路路徑，以防止電流直接從一側傳輸到另一側。
光隔離器
多年來，光學隔離一直被用於分離兩個子系統之間的電路路徑。這是通過使用LED將傳入的電信號轉換為光子來實現的。一個非導電的透明隔離物將光傳輸到接收端上的光電探測器。
圖2：光隔離器
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儘管當前市面上的光耦合器支持緊湊的封裝，但當需要隔離多個通道時，解決方案的整體尺寸仍可能構成問題。由於難以將多個通道集成到單個封裝中並避免通道間的交叉干擾，因此它們通常採用離散型架構。這在需要並行I/O隔離的情況下可能造成問題。例如，對於串列週邊設備互連（SPI）匯流排的保護，可能需要四個單獨的器件。光耦合器的第二個問題在於它們可以通過的最大資料速率受到LED和光電探測器響應時間的限制。實際上，最大可實現的數位頻寬約為50Mb/s。此外，系統的長期可靠性也是一個問題。
電容隔離
電容隔離是提供用於並行I/O的集成設備的選項的技術之一，儘管它傾向于適用於需要較低隔離水準的場景。這種形式的隔離耦合器使用電容器的充放電週期來實現資料傳輸。
由於電容元件之間使用絕緣材料的阻隔，因此不存在直流電流流動。儘管在應用需要大電容時可能會受到充放電速率的限制，但該技術的優勢依然可以支援高資料速率。
圖3：電容隔離
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隔離通常受限於位於電容元件之間的絕緣層的擊穿電壓。對於小型設備，這可能不足以阻止大的高壓尖峰。
電磁隔離
電磁隔離通過利用一次繞組中電流產生的磁場來感應二次繞組中的電流。當實施隔離解決方案時，一個線圈充當信號發射器，另一個充當接收器。磁感應隔離應用可在工作電壓非常高的系統中運行。因此，磁耦合的使用提供了高保護性，長期運行壽命的組合，並且能夠以比光耦合器更高的速度工作。
圖4：磁耦合為電磁隔離解決方案奠定了基礎
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磁耦合並不一定粗大笨重。隨著半導體技術的進步，將電感器集成到小型晶片級產品中已成為可能。因此可以在單個封裝內提供多個平行作業的通道，從而進一步節省空間。例如，東芝的DCL54x01系列由兩個共同封裝的晶片組成。一個是輸入信號的調製器，另一個是解調器，用於處理接收信號。使用兩個隔離晶片便可支援雙重絕緣結構，提供最大限度的保護。在一側的絕緣隔離發生損壞時，這種設計能夠防止兩側之間發生短路。這種架構確保了高達12.8kV的電壓浪湧無法穿過隔離屏障到達另一側，並且元件滿足VDE V 0884-11標準的要求。基於使用標準的時間依賴介質擊穿（TDDB）計量測試，1.2kVrms脈衝顯示該結構設計提供的預期絕緣壽命長達70年。
圖5：開關鍵控
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開關鍵控的調製方案是一種即使在高速運行下也可以提供噪音保護技術。這種調製方案使用載波信號的存在和缺失來分別表示高和低邏輯狀態是一種提供了高效可靠的方法用於將PWM信號從微處理器傳輸到控制PCB高壓側電機或變頻器的柵極驅動器。在DCL54x01中，該方法提供了小於3ns的脈寬失真，確保了PWM和其他高速邏輯級信號的準確傳輸。該方法還支援以150Mb/s或更高的速率傳輸資料，並具有高抗雜訊干擾性，包括對共模瞬態的抗性。
共模雜訊是一種電流同時在信號和地線上流動的雜訊類型，通常發生於高壓系統中。由於移位元會影響信號和地線，並且可能通過隔離障礙物進行耦合，特別是在電容隔離產品的情況下，導致對其進行隔離的實現較為困難。如果耦合到接收端的電流達到一定水準，它可能會導致隔離介面本身以及系統的故障。高共模瞬態抗擾度（CMTI）對於可靠操作至關重要。這一特性在磁隔離產品中得到了很好的支持。
由於隔離器可以利用雙絕緣結構來提供對高壓浪湧的保護，因此在小型封裝中能夠輕鬆支持多通道作業。
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