Miễn là mạch cấp nguồn có khả năng tương tác với các mạch, phần cứng, cơ sở hạ tầng hoặc người dùng khác thì có thể xảy ra tình trạng quá điện áp phá hủy. Cách ly vật lý hoặc điện tử (thường được gọi là cách ly điện) giữa các điểm tương tác dòng điện và điện thế là rất quan trọng cho sự an toàn và hoạt động liên tục của mạch. Sự cách ly cũng có thể làm giảm nhiễu không cần thiết ở tín hiệu đầu ra.
Yêu cầu cách ly rất phổ biến trong robot, thiết bị lưới điện cao thế, thiết bị xưởng sản xuất, ứng dụng ô tô và sản phẩm tiêu dùng. Khi thiết kế hệ thống cách ly, cũng cần xem xét tính đặc thù của ứng dụng, chẳng hạn như điện áp đầu vào thay đổi, việc sử dụng nguồn pin hoặc nhu cầu đóng gói nhỏ gọn.
Để chọn các thành phần cách ly chính xác, các nhà thiết kế cần hiểu rõ ưu điểm, nhược điểm và thành phần của các cấu trúc cách ly khác nhau. Với sự hiểu biết này, họ có thể áp dụng các bộ cách ly hiệu quả, đáng tin cậy và tiết kiệm không gian nhất trong thiết kế điện tử.
Làm quen với bộ cách ly
Cách ly điện có thể đạt được bằng nhiều cách khác nhau, nhưng tất cả đều có một nguyên tắc cơ bản chung: đầu vào điện áp cao ở phía sơ cấp được cách ly với phía thứ cấp điện áp thấp, dòng điện thấp thông qua một số rào cản vật lý. Chi tiết của hàng rào cách ly và phương thức truyền công suất, tín hiệu hoặc cả hai thông qua hàng rào cách ly phụ thuộc vào loại bộ cách ly.
Bộ ghép quang sử dụng đèn LED để chuyển đổi tín hiệu ở phía sơ cấp từ xung điện sang photon. Ở phía thứ cấp, các phần tử cảm quang như phototransistor, photodiode hoặc bóng bán dẫn hiệu ứng trường quang điện nhận photon và chuyển chúng thành tín hiệu điện. Ngoài việc cách ly vật lý các mạch sơ cấp và thứ cấp, bộ ghép quang còn có thể tự động loại bỏ nhiễu không cần thiết trong tín hiệu đầu ra và ngăn chặn các vòng nối đất.
Trong bộ ghép từ, điện áp trên cuộn sơ cấp của máy biến áp tạo ra từ trường. Từ trường này sẽ tạo ra điện áp cảm ứng trên cuộn thứ cấp, từ đó truyền tín hiệu điện trong khi vẫn duy trì cách ly điện. Máy biến áp có thể có hai cuộn dây độc lập trên một lõi sắt hoặc có thể là hai cuộn cảm, mỗi cuộn dây có một cuộn dây quấn quanh lõi sắt riêng, được ngăn cách bằng vật liệu cách điện. Sở dĩ các nhà thiết kế lựa chọn ghép từ là vì nó có khả năng điện áp cao, thời gian đáp ứng tương đối nhanh và khả năng lọc nhiễu tín hiệu. Tuy nhiên, kích thước của bộ cách ly, khả năng sinh nhiệt và tạo ra nhiễu điện từ cũng cần được xem xét.
Bộ ghép điện dung sử dụng một tụ điện gồm hai điện cực được ngăn cách bởi một vật liệu điện môi. Điện áp đầu vào sẽ tích lũy điện tích trên điện cực phía sơ cấp. Điều này tạo ra một điện trường và tạo ra điện áp trên điện cực thứ cấp. Bộ ghép điện dung được biết đến với kích thước nhỏ, mức tiêu thụ điện năng thấp và phản ứng nhanh với những thay đổi đầu vào, giúp chúng thuận tiện và hiệu quả trong việc truyền tín hiệu điện qua các cổng cách ly. Người thiết kế phải có biện pháp bảo vệ bộ ghép điện dung khỏi tác động của điện áp đầu vào, độ ẩm môi trường, sự cố điện môi vượt quá khả năng của chúng.
Triển khai bộ cách ly kỹ thuật số
Bất kỳ loại bộ cách ly nào ở trên đều có thể được tích hợp vào hệ thống bộ cách ly kỹ thuật số trên mạch tích hợp (IC). Các cấu trúc tôpô này có thể được tích hợp thêm với các mô-đun nguồn hoặc các bộ phận truyền tín hiệu để tạo thành một hệ thống cách ly kỹ thuật số hoàn chỉnh trên một chip đơn. Cấu trúc cấu trúc liên kết phổ biến của hệ thống cách ly kỹ thuật số bao gồm flyback, nửa cầu và kéo đẩy.
Bộ nguồn flyback sử dụng dạng cách ly từ, kết hợp cuộn cảm shunt với bộ chuyển đổi tăng áp để tạo thành máy biến áp, từ đó tăng hoặc giảm điện áp của đầu vào dòng điện một chiều (DC) để phù hợp với đầu ra yêu cầu. Phản hồi của bộ chuyển đổi tăng áp Buck được cung cấp bởi cuộn dây cảm ứng ba giai đoạn hoặc bộ ghép quang. Nên sử dụng bộ nguồn flyback trong các ứng dụng tiêu thụ điện năng thấp, nhưng các nhà thiết kế phải lưu ý rằng EMI không cần thiết có thể được tạo ra.
Thiết kế nửa cầu (cầu H) bao gồm một bộ tạo sóng vuông cầu H, một mạch cộng hưởng gồm hai cuộn cảm và một tụ điện (LLC) và hai bộ chỉnh lưu có thể cung cấp điện áp đầu ra DC cần thiết. So với một số thiết kế nhất định, bộ chỉnh lưu có thể đạt được công suất đầu ra cao hơn và nên sử dụng thiết kế cách ly cầu H cho các ứng dụng công suất trung bình.
Bộ nguồn cách ly kéo đẩy sử dụng hai máy biến áp để ghép từ. Hai công tắc luân phiên chuyển đổi máy biến áp để nhận điện áp đầu vào. Hai điốt chỉnh lưu toàn cầu ở phía thứ cấp có thể dự đoán sự thay đổi điện áp và điều chỉnh chúng thành các đầu ra đối xứng.
Để tăng cường khả năng điều khiển, người thiết kế có thể chọn thêm bộ điều khiển máy biến áp vào thiết bị kéo đẩy. Trình điều khiển này tích hợp bộ tạo dao động, bộ chia tần và bộ điều khiển logic để phối hợp đóng mở các công tắc ở chế độ BBM. Chế độ này có thể tạo ra tín hiệu đầu ra tương đối ổn định đồng thời bảo vệ các bộ phận bên trong và hạ lưu khỏi hư hỏng do kết nối hai công tắc cùng lúc.
Các hệ thống có trình điều khiển máy biến áp cũng có thể sử dụng bộ điều chỉnh tuyến tính có độ sụt áp thấp (LDO) để điều khiển đầu ra, thay thế điốt chỉnh lưu hoặc tăng cường chức năng của chúng. Chênh lệch điện áp là chênh lệch tối thiểu giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra, dưới mức này mạch không thể điều chỉnh hoàn toàn đầu ra. Trong LDO, sự khác biệt này là cực kỳ nhỏ, đảm bảo hoạt động đáng tin cậy trên dải điện áp đầu vào rộng.