中心議題：

• 判斷磁場方向的基本物理定則
• 介紹電容隔離器的結構
• 數字電容隔離器的磁場抗擾度分析

數字電容隔離器的應用環境通常包括一些大型電動馬達

、發電機以及其他產生強電磁場的設備。暴露在這些磁場中
，可引起潛在的數據損壞問題，因為電勢（EMF， 即這些磁場形成的電壓）會幹擾數據信號傳輸。由於存在這種潛在威脅

，因此許多數字隔離器用戶都要求隔離器具備高磁場抗擾度 (MFI)。許多數字隔離器技術都聲稱具有高 MFI，但電容隔離器卻因其設計和內部結構擁有幾乎無窮大的　MFI。本文將對其設計進行詳細的介紹。

基本物理定則

諸如電動機的電源線等帶電導體，其周圍便是一個由流經它的電流形成的磁場。應用右手定則（請參見圖 1）

，我們很容易便可以確定該磁場的方向。該定則的內容如下：用右手握住導體
，然後拇指指向電流的方向，這時環繞導體的手指便指向磁場的方向。因此，磁通線的平麵始終與電流垂直。

圖 1 顯示了 DC 電流的磁通密度 B。就 AC 電流而言，將右手定則用於兩個方向
，磁場和 AC 電流都隨同一個頻率 f 而變化：B(f) ~ I(f)。磁場（或者更加精確的說法是磁通密度及其相應磁場強度）隨導體中心軸距離的增加而減弱。這些關係可以表示為：
 
以及
 
其中
，B 為以第平方米伏秒 (V•s/m2) 表示的磁通密度，μ0 為自由空間中的磁導率（計算方法為 4π × 10–7 V•s/A•m），I 為以安培為單位的電流
，r 為以米為單位的導體距離，而 H 為以安培每米 (A/m) 為單位的磁場強度。
 

圖 1 右手定則

磁場線穿過附近導體環路時，它們會產生一個 EMF，其強度大小取決於環路麵積和通量密度及磁場頻率：
 
EMF 為以伏特為單位的電勢，f 為磁場頻率，而 A 為以平方米 (m2) 為單位的環路麵積。

所有隔離器都有一定形狀或者形式的導電環路，以讓磁場線穿過並產生 EMF。如果強度足夠大，則這種疊加到信號電壓上的 EMF 就(jiu)會(hui)導(dao)致(zhi)錯(cuo)誤(wu)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)。實(shi)際(ji)上(shang)，一(yi)些(xie)隔(ge)離(li)技(ji)術(shu)對(dui)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)非(fei)常(chang)敏(min)感(gan)。為(wei)了(le)理(li)解(jie)電(dian)容(rong)隔(ge)離(li)器(qi)為(wei)什(shen)麼(me)不(bu)受(shou)磁(ci)場(chang)的(de)影(ying)響(xiang)，我(wo)們(men)需(xu)要(yao)對(dui)其(qi)內(nei)部(bu)結(jie)構(gou)進(jin)行(xing)研(yan)究(jiu)。

電容隔離器的結構

電容隔離器由兩塊矽芯片—一個發送器和一個接收機組成（請參見圖 2）。數據傳輸在由兩個電容構成的差動隔離層之間進行
，在每個電容的二氧化矽 (SiO2) 電(dian)介(jie)質(zhi)兩(liang)端(duan)都(dou)有(you)一(yi)塊(kuai)銅(tong)頂(ding)片(pian)和(he)一(yi)個(ge)導(dao)電(dian)矽(gui)底(di)片(pian)。發(fa)送(song)器(qi)芯(xin)片(pian)的(de)驅(qu)動(dong)器(qi)輸(shu)出(chu)通(tong)過(guo)一(yi)些(xie)接(jie)合(he)線(xian)連(lian)接(jie)到(dao)接(jie)收(shou)機(ji)芯(xin)片(pian)上(shang)隔(ge)離(li)電(dian)容(rong)的(de)頂(ding)片(pian)。通(tong)過(guo)將(jiang)電(dian)容(rong)的(de)底(di)片(pian)連(lian)接(jie)接(jie)收(shou)機(ji)輸(shu)入(ru)構(gou)成(cheng)了(le)一(yi)個(ge)導(dao)電(dian)環(huan)路(lu)。圖(tu) 3 顯示了隔離層的等效電路結構圖，並標示出了金接合線之間的環路區域。很明顯，穿過該環路的磁場將會產生一個 EMF
，其表示下麵 RC 網絡的輸入電壓噪聲 Vn1。我們常常碰到的第二種差動噪聲部分 Vn2

，其產生原因是共模噪聲到差動噪聲的轉換。兩個噪聲分量共同組成了綜合噪聲 Vn。如果隻考慮 EMF 的影響
，則可以保守地將 Vn 一分為二：


 

 
圖 2 電容隔離器內部結構的簡化結構圖[page]

圖 3 隔離層的等效電路結構圖

若要觸發接收機
，RC 網絡的輸出必須提供一個差動輸入電壓 VID，其超出了接收機輸入閾值。是否出現偽觸發
，具體取決於 RC 網絡的增益響應 G（f）。

將差動網絡轉換為單端網絡（請參見圖 4），簡化了 G (f) 的推導過程
，但卻要求 C′1 = 2C1，R′1= R1/2
，C′2 = 2C2，以及 R′2 = R2/2。
 

圖 4 單端 RC 網絡

 
一次電路仿真證實了 RC 網絡為一個一階高通濾波器
，其 C′1 和 R′1 為主要組件，頻率高達 100 MHz（參見圖 5 中藍色曲線）。超出這一頻率以後，寄生組件 C′2 和R′2生效，從而引起稍稍偏離於線性的斜率。因此，頻率達到 100 MHz 以後
，增益響應可以表示為 VID/vn 的比：

確定不會引起偽接收機觸發的最大允許噪聲，要求對方程式 5 求解 vn：

然後，將 vn 代入方程式 4
，得到以伏特為單位的最大容許 EMF：

將 EMF 代入方程式 3，得到最大可能磁通密度：

 

 
圖 5 增益幅度頻率響應 |G(f)|

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通過將下列數值插入方程式 8 中，推導出表 1 所列磁通密度的頻變值：
VID = 10 mV（接收機輸入閾值的大小）
R′1 × C′1 = 25 ps（有效時間常數）
A = 944 × 10–9 m2（有效環路麵積）
f = 1 kHz to 100 MHz（相關頻率範圍）
 

表 1 距離電容隔離器 0.1m 的導體的電流值和磁場值

 

利用方程式 2 和 3 還得到 EMF
、磁場強度 (H) 以及導體（此處假設將來的隔離器為 0.1 m）的相應電流 (I)。

由表 1 所列的一些極高值，清楚地表明 5 兆安低頻電流和 100MHz 下 500A 電流都不能讓這種隔離器停止正常工作。出現這種幾乎無限 MFI 的原因是隔離電容的位置。如果這些電容位於發送器芯片上，則任何接合線中產生的 EMF 都能夠影響到未受幹擾的接收機輸入。

很明顯，這種高 MFI 值不可能進行實際的測試。電容隔離器的產品說明書說明了僅 1000 A/m 的適度值作為實際測試用。然而，無屏蔽電容隔離器可以輕鬆通過 IEC61000-4-8 和 IEC61000-4-9 標準的 5 級 MFI 要求。這些標準分別描述了高達 100 A/m 電源頻率電磁場以及 1000 A/m 脈衝電磁場的應用。5 級規定了許多導體、總線或者中高壓線路的惡劣工業環境，它們都攜帶有數萬安的電流。另外還包括許多攜帶全部雷電電流的雷電保護係統和高層建築結構（例如：電纜塔等）的接地導體。重型工業廠房和電站的室外配電裝置也是這種環境的代表。

圖 6 將電容隔離器的計算得 MFI 閾值同 IEC 61000-4-8 和 IEC 61000-4-9 的 5 級（最高）測試水平進行了對比。
 

圖 6 MFI 測試閾值

結論

超出電容隔離器差動電路噪聲預算的磁耦合要求 1MHz 下大於 11.7 V•s/m2（117千高斯） 的磁通量密度。這需要在一個距離器件 0.1m 的導體中有超過 5 baiwanandedianliucainengchanshengzheyangyigecichang。zaiziranjiehuozherenhezhizaoshebeizhongzhedoushibukenengcunzaide。ruguodequecunzai，nameshejirenyuanbiankezuoyixiaqingkuangjiashe：在隔離層失效以前

，周圍的電路便都已失效。