隔离变压器的概念、选型和应用：几个实例，让你通透理解！

作者：Art Pini

关键词: 隔离, 电源管理

传统的单相电源线由火线、零线和地线组成。当多个物理上分开的设备共用一条电源线时，由于设备的接地电位不同，有可能产生接地回路。这些接地回路在医疗设备中尤其成问题，并且在设备测试期间可能会造成麻烦。对于设计人员而言，很难用使用整流线路电压的设备来测量接地环路。接地的测试设备（如示波器）可能会在无意中导致这些设备的电源短路。而且，交流电源线上会产生高频噪声，从而导致敏感的传感器和仪器出现问题。

通过在电源输入端与设备之间正确使用隔离变压器，可以避免所有这些问题。

隔离变压器有助于隔离电源线接地连接，以消除接地回路和测试设备意外接地。此外，还能抑制电源上的高频噪声。

本文将使用来自Hammond Manufacturing、Bel/Signal Transformer和Triad Magnetics的示例器件，来讨论隔离变压器的特征、选择标准和应用。

隔离变压器工作原理

隔离变压器在交流电源线（主电源）与用电设备之间提供电隔离。这意味着两个绕组之间没有直流路径。它们主要用于三个用途：

• 首先是将次级绕组与地面（接地）隔离
• 其次是提供线路（主）电压的升降操作
• 第三是减少从初级绕组传输到次级绕组的线路噪声，反之亦然

隔离变压器首先是变压器，它们具有变压器的共同特征（图1）。初级和次级绕组缠绕在一个共用的铁磁芯上。

在图中，初级绕组绕铁磁芯N_P匝，次级绕组绕N_S匝。初级电压 (V_P) 和次级电压 (V_S) 之间的关系如公式1所示：

如果初级绕组的匝数多于次级绕组，则次级绕组上的电压将低于初级绕组上的电压。这是一个降压配置。如果初级绕组的匝数少于次级绕组，则次级绕组上的电压将高于初级绕组上的电压，从而导致升压配置。大多数隔离变压器的初级和次级绕组匝数相同，因此初级和次级电压也相同。

变压器中的能量是守恒的，因此，如果我们忽略损耗，则V_P与初级电流 (I_P) 的乘积将等于V_S与次级电流 (I_S) 的乘积。变压器的额定功率由初级绕组的RMS电压乘以RMS初级电流的乘积来确定。这是“视在功率”，度量单位为伏安或VA。

原理图上的点是定相点，表示初级和次级电流方向。如图所示，流入绕组初级点侧的电流会导致次级电流从绕组次级点侧流出。如果绕组要串联或并联放置，这一点很重要。不遵循绕组的定相可能会导致错误。

法拉第屏蔽是一种静电屏蔽，可减小初级绕组与次级绕组之间的电容，并且通常接地。该屏蔽可降低通过变压器的共模噪声和瞬变的幅度。

隔离变压器中的初级和次级绕组高度绝缘，以最大程度地减少彼此之间的直接电导。绝缘效果的衡量标准是漏电电流。大多数隔离变压器也使用高电势或耐压测试仪进行测试。当检查漏电电流时，这些仪器会在绝缘两端施加高电压。

隔离变压器的物理结构可以有多种形式，包括壳式结构（图2）。其中，初级绕组和次级绕组以同心方式包裹着绝缘层，法拉第屏蔽插入这两层之间。

法拉第屏蔽可以为箔层或密绕绕组，如图所示。接地通常位于初级侧，与大地相连。由于初级绕组和次级绕组已经使用了漆包线，因此这种结构称为“双绝缘”。

或者，绕组可以并排放置在磁芯上，这称为“多槽线架”结构，也可以绕在环形磁芯上。

商业隔离变压器

隔离变压器可采用开放式结构，也可封闭在屏蔽结构中（图3）。Hammond Manufacturing的171E隔离变压器使用屏蔽壳体结构。端盖屏蔽罩包含变压器的磁场，还用于最大程度地减少变压器外部磁场的干扰。这款500VA的1:1变压器还包括引线、NEMA、三线接地输入和输出连接器，以及集成式过载断路器。

尽管接地线连接到次级输出连接器，但在大多数隔离变压器应用中不会使用该接地线。在额定输入电压下，该变压器初级和次级之间的漏电电流不到60微安 (µA)。

来自Bel/Signal Transformer的DU1/4是一款250VA隔离变压器，采用开放式结构，具有两组多抽头绕组。初级绕组和次级绕组各有两个（图4）。

初级和次级绕组的额定电压相同，分别为0、104、110和120伏。这样可允许在初级或次级绕组上进行串联或并联。因此，对于110或220伏输入，可以维持标称的1:1比例。而且，也可以配置从110伏到220伏的升压变压器，或从220伏到110伏的降压变压器。另外，多抽头绕组允许中间额定电压，例如208伏、214伏或230 伏（图5）。

该变压器的电源连接方式为螺纹端子。

如果初级和次级绕组均为串联，则该变压器是220伏输入，1:1电压比。如果初级和次级绕组均为并联，则为110伏输入，1:1电压比，可用电流是单个绕组的两倍。如果初级绕组串联放置，而次级绕组为并联，则初级电压将降为二分之一。如果次级绕组为串联，而初级绕组为并联，则可实现2:1升压。

医疗隔离

医疗应用所采用的隔离变压器必须满足更严格的漏电电流要求。对于接地漏电、外壳漏电和患者漏电，均有最大漏电电流规格。接地漏电是指设备接地线中的漏电电流。外壳电流描述了通过接地线以外的导体从裸露的导电表面流到地面的电流。患者漏电是指正常连接到设备时，通过患者流向地面的电流。此类别中的大多数设备均已通过UL/IEC 60601-1认证。

Triad Magnetics的MD-500-U型是一款适用于医疗应用的500VA隔离变压器（图6）。该变压器通过Underwriters Laboratories (UL) 的UL 60601-2规格认证，典型漏电电流为10µA，最大漏电电流不到50µA。

MD-500-U采用环形变压器，在最大程度上减小尺寸的同时实现杂散磁场最小化和效率最大化。像大多数独立医用变压器一样，它牢牢封装在一个钢制外壳中，内置保险丝和热熔断开关。

典型的隔离变压器应用

隔离变压器的最常见应用是将设备与交流线路接地隔离。为了说明这样做的必要性，我们以开关模式电源 (SMPS) 为例。典型的线路供电型SMPS存在若干安全相关问题（图7）。

这是一个采用反激式拓扑结构的线路供电型电源。该电路的初级侧以黄色突出显示，对线路（电源）输入进行全波整流并将其应用于初级轨。这意味着若使用120伏线路，高压轨和低压轨之间出现的电压电平约为170伏，若使用240伏线路，该值约为340伏。此整流线路电压将存储于初级储能电容器C2中。

请注意，该电源的初级和次级区段会采用反激式变压器L2和光隔离耦合器Q4进行电隔离。次级区段在负极 (-) 输出端接地，初级区段不接地。若使用接地输入仪器（如示波器）进行故障排除，这种接地方式便有问题。将示波器探头的接地连接端与电源初级侧的元件连接可能会导致短路，而且还会损坏主要元件和示波器。

电源中的低压初级轨连接到交流线路零线。虽然零线在进线口处接地，但当零线到达SMPS输入时，可能比接地电压高几伏，这使其成为示波器探头接地的不安全连接点。

隔离变压器主要用于对SMPS的初级区段进行电气隔离。一经隔离，便可与初级电路中任意部分的探头接地端连接。这样一来，无论地线夹连接到哪一个点，都会把接地基准放在此处，从而消除了初级电路发生短路的可能性。

当多个设备（每个设备具有自己的接地返回路径）连接在一起时，这种相同的接地隔离能力使得隔离变压器对于诊断和纠正接地回路非常有用。

变压器允许隔离接地，以查看哪些设备是接地漏电电流的来源。

隔离变压器还可以减少从线路传输到所连接设备或从设备传回线路的高频噪声。这是由于变压器的串联电感和接地的法拉第屏蔽，后者减少了变压器两端的电容耦合。

总结

隔离变压器可将连接至次级绕组的设备与初级绕组上的交流电源隔离，因此允许重新定义次级设备上的基准平面。这样还允许对漏电电流进行重定向和控制。同时，它们会最大程度地减少高频谐波和噪声的传输。这些器件对于测试电源相关的设备非常有用。

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关键词: 大咖在DK, 时钟, 工作原理

伴随着技术的不断迭代和进步，更低功耗、更小体积、更高精度、更强的恶劣环境耐受度成为产品电子设计的更高要求。这其中，时序器件作为控制产品精确度和准确性的关键要素，其本身性能的优劣就显的尤为重要了。众多元器件厂商也纷纷推出自己的新一代产品，其中MEMS（微机电系统）振荡器显得尤为亮眼。

与传统的石英晶体器件相比，MEMS器件的可靠性有成十倍的提高，耐冲击能力更可提高百倍，更为值得关注的是，其精准性和高低温条件下的电气性能与石英产品相比也有不俗的表现。

Microchip作为单片机领域的佼佼者，对MEMS时钟产品也有自己独到的理解，在MEMS本身高性能特征的基础上，Microchip在某些小体积、多路输出产品，以及汽车级产品上的优异设计和稳定表现，更是十分吸睛。

除此之外，Microchip还提供了在线开发配置工具ClockWorks®，基于这一工具，设计人员在线输入所需配置就能够很方便地定制产品，缩短产品研发周期，节省更多宝贵的时间。

想要深入了解Microchip时钟产品更多的技术细节？就让我们就跟随Microchip专家，围绕着DSC与DSA一系列的MEMS产品来一探究竟吧！

主讲嘉宾

赵磊（David Zhao）：Microchip时钟产品部市场推广经理，在时钟行业有着18年的工作经验，在MEMS时钟产品方面，有着丰富的推广经验。目前在Microchip负责时钟产品的市场推广工作。

有关Microchip时序类产品的更多资讯，我们帮大家梳理如下，请查收：

• Microchip时钟和定时解决方案
• 时钟和定时产品选型工具
• 配置和采样工具——ClockWorks
• 产品详情：DSC63xx，DSC12xx，DSC612/613，DSC400，DSC557，DSC1500

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关键词: LED, 质量

问：恒流LED照明过早失效

“ 我用了最好的 LED 和恒流驱动，为什么还是会烧掉？ ”这是一个困扰很多开发者的问题。

虽然LED比其他类型的照明系统寿命更长、效能更高，但它们也更易损——尤其是在恒流系统中使用不当时。一般来说，布线不当、散热不当或驱动使用不当时，都可能造成LED照明系统过早失效。你需要检查散热器或冷却系统是否工作正常、布线是否正确并确保系统在额定参数范围内运行。

恒压驱动操作起来更方便，可以潜在节约设计成本，但通过避免恒流系统可能出现的失效，我们或许可以缓解过早失效这个问题。虽然恒流系统操作起来比较繁琐，但如果使用得当，它们可以延长LED的使用寿命，这是因为恒流解决了热逸溃的问题。

功率等于电流乘以电压（P = I x V）。人们会认为，只要两个变量保持恒定，那么剩余的变量就会保持不变。如果不考虑热逸溃的问题，那这么说也没错。当LED长时间打开或在温暖的环境中运行时，正向电压降会降低，并会抬高LED电流超过其额定值。这是二极管（LED）在照明系统中用作为 “负载” 时面临的主要问题。

当LED发热时，恒流驱动将会拦截过电流，而且电压输出也会调整发热LED至较低的正向压降，因此无需担心恒流驱动会产生破坏性的过压。

下列建议有助于你在使用恒流照明系统时解决问题并延长照明系统的寿命：

• 立即更换损坏的 LED

有些人会犯这样的错误——当一个或两个LED烧坏或损坏后，还继续让恒流LED照明系统继续工作。在这种情况下，恒流驱动会把同等的电流通过剩余的LED，从而导致其烧坏或过早失效。这时应立即关闭电源并修复损坏的LED。恒压驱动不存在这类问题，因为它们始终保持相同的电压，而其电流则取决于（剩余）LED的电流消耗。

• 在接入输入电源之前，将照明系统连接到输出端

另一个可以帮你避免问题以及过早失效的建议是，确保在将输入电源接入恒流驱动前，将LED照明系统连接到驱动上。如果你在连接LED之前将输入电源接入驱动，那么恒流驱动输出电压就可能达到电压输出窗口规格的最高（或更高）额定值（高于LED额定电压），从而导致过早失效或可能在连接时立即烧坏LED。恒压驱动依然不存在这类问题，因为它们的输出电压是固定的，而电流则取决于LED上的电流。

许多专业人士和业余爱好者都会先将电源接入恒流输入端，然后完成LED的布线或“测试”它们的照明灯带（通过将LED或灯带连接到输出端）——他们可能并没有意识到自己这样做对照明系统造成了损害，而还在好奇为什么LED的使用寿命没有预期的长。

• 恒流驱动排障

具有开放负载的恒流驱动电压输出显示的读数极有可能在电压输出窗口的整个范围内上下浮动，因为输出电压会不断变化以尝试输出固定电流。

有时，普通的直流万用表会难以读数，因为它可能显示为交流电压而不是直流电压，这实际上取决于所使用的驱动和仪表。而有时，输出电压也可能为电压输出窗口的最小或最大值。为了获取稳定的读数，你需要在输出端添加负载，以适应电压输出范围并满足恒定电流的要求。

更多关于LED的技术信息, 请查看以下内容：

• 如何切割柔性LED灯带
• 如何测试LED
• LED新设计技巧和驱动器选择浅析
• LED支座
• 了解如何避免LED被腐蚀

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关键词: 电容, 测量

问：如何测量MLCC SMT电容的电容值

许多客户在收到的电容产品后，想要通过自己测试以验证其电容值。但测试结果可能不尽如人意，其中的原因可能有以下几点。

1. 在测试中，未正确进行测量或未在指定的测量条件内进行测量。
2. 测试中所用的仪表设置可能不正确，或者使用的测量设备不足以准确测量MLCC。
3. 这些物料不应包含在所列的规格范围中——点击这里获取更多信息。

以下是我们建议的测试步骤和相应的检查清单，以帮助工程师明确他们在测量过程中需要注意的事项。

第 1 部分：测量要求

测量频率和电压，对于正确测量陶瓷电容的值而言是非常重要的。请查看相应的厂商和系列，并在规格书中找到你的电容，以确认所需的测量频率和电压。

[建议的检查清单]

• 测量频率：_______________________ Hz
• 测量电压：_______________________ V

第 2 部分：测量设备要求和设置

由于大多数万用表无法进行配置以满足某个电容的特定测量条件，因此通常要使用LCR表来测量MLCC电容值。尽量使用测量夹具，以便在测量过程中保持样品的稳定性。然后，请打开LCR表的自动电平控制（ALC）功能（为什么要打开ALC功能，可点击 这里了解详情）。

[建议的检查清单]

• 是否使用夹具（是或否）：_______
• 是否打开自动电平控制（ALC）（是或否）：_______

第 3 部分：加热处理（去老化）

由于物理结构的原因，2类（高介电常数）MLCC电容值会随着时间的推移而逐渐减少。该属性称为电容的 “老化” 现象。这就是为什么客户有时会发现其电容的电容值低于对应的规格。一般来说，在150℃（+0/-10℃）下经加热处理（烘烤）1小时，并在室温下冷却24小时（+/-2小时）后，电容值可以恢复到所述规格（为什么只有2类电容需要去老化，点击 这里了解详情）。

因此，在测量电容值之前，应在150℃+0/-10℃下加热电容1小时，并在环境空气中将其冷却24±2小时。

[建议的检查清单]

• 哪一类MLCC（1类-C0G或NP0/ 2类-除C0G或NP0以外的其他电容）：_______
• 该样品是否在150℃+0/-10℃下加热（烘烤）1小时，并在环境温度中保持冷却24±2小时？（是或否）：_______

更多关于电容的技术信息, 请查看以下内容：

• 各类陶瓷电容的温度系数额定值
• 电容的电压系数（VCC）是什么
• 电子元器件选型基础-电容
• 为什么陶瓷电容似乎不合规格，但其实不然？
• 不同的输入电压波形，对陶瓷电容的使用有什么影响？

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作者：Lisa Eitel

关键词：电源管理，质量

如Digi-Key先前关于低质量市电细节的文章所述，当地市电电网的波动可能引起六种电能质量问题，包括电压浪涌、停电、频率不稳定和噪声。这些波动也可能源自每一个电动自动化设备的内部，从而让问题更加复杂化。幸运的是，很多元器件可以解决这样的电力一致性问题。这些电源和其他电源元器件可使机械发挥最佳性能，并防止机械对当地市电电网产生负面影响。

设备内部产生的电能质量问题主要有两类：噪声和谐波干扰。

电源中的电噪声是指高频电压变化。高频是相对的，但总是表示频率远高于系统交流频率。从时域来看，交流电流应表现为平滑的正弦波。噪声使波形变得参差不齐。

在机械的供电系统中总是会有一定的噪声，这由导线的电阻引起。此类噪声称为热噪声，通常是可忽略不计的干扰。更明显且潜在有害的噪声是由局部负载（如焊机和电动机）引起。来自此类部件和系统的噪声通常难以量化，并且最有可能导致受影响的设备子部件过热、磨损，甚至失效。

电力谐波是频率为系统交流频率整数倍的电压或电流干扰。这些干扰由整流器、计算机电源、日光灯和某些类型的变速电机等非线性负载引起。电流谐波往往大于电压谐波，实际上往往驱动后者。

这些电力谐波（由于它们引起发热的方式）会显著降低电机的效率并缩短其寿命。它们还可能导致电机机械输出的振动和转矩脉动，从而缩短集成在电机中的动力传输子部件（特别是轴支撑轴承）的寿命。

关键电力系统参数

电源的两个重要规格包括功率因数和保持时间。

功率因数是一个无量纲比值，用来描述交流系统中有功功率与视在功率之间的差异。视在功率是有功功率和无功功率的组合。无功功率是依次从网络中提取、暂时储存，然后在不消耗的情况下返回。这通常由感性或容性负载引起，会导致电流和电压异相。无功功率会增加配电系统的负荷、降低电能质量，并导致能源费用增加。

理想情况下，系统的功率因数为1，意味着系统中没有无功功率。功率因数低于0.95的设计会导致配电系统的负荷增加，并可能会发生无功电费。

保持时间是电源在断电后可在其规定电压范围内持续供电的时长。请考虑一下不间断电源 (UPS) 和发电机，这些是在停电和欠压期间用于确保自动化操作连续性的备用电源类型。正如本文最后一节所详述，UPS 必须在任何重要时间段内供电。但根据UPS的设计，这些可能会在市电电力故障和UPS启动供电之间引入高达25毫秒的延迟。

电源保持时间可以让电源弥补这一差距，主要是利用存储在电容器中的电能。事实上，由于开关模式电源的电容电压更高，因此其保持时间往往比线性电源更长。

解决机器引起的电源问题

接地、隔离和滤波电源转换器是高质量电源的基础。

• 接地

正确接地对于电源正常工作必不可少。它提供基准电压（由该电压测量所有其他电压）以及电流的返回路径。有关该主题的更多信息，请阅读Digi-Key文章接地故障感测和保护须知。

• 隔离

虽然非隔离电源的能效和紧凑性程度更高，但在输入和输出电压之间进行隔离，则可防止部件发生故障时危险电压传递到输出。为了保护操作人员免受危险电压伤害，或保护设备免受瞬变和骤升的影响，也可能需要隔离。

隔离的形式包括：

• 部件之间的物理隔离
• 电感耦合，通过变压器（改变电源系统电压的电源转换器）
• 光耦合，最适合电源系统不同部分之间的信号传输，同时确保极高的隔离水平

• 电滤波器和浪涌抑制

浪涌抑制可消除瞬变和骤升，保护电气设备免受这些过压条件的影响。相比之下，电滤波器能平滑系统电压以去除噪声和谐波。若要了解大型飞机（使用400Hz电源）上使用的工业电源中的滤波器，请阅读digikey.com文章400Hz电源上的电源操作。或者考虑另一种在靠近使用点的自动化装置中特别常见的电滤波器类型（LC滤波器），来补充电机驱动器。LC滤波器是一种振荡电路或谐振电路（也称为调谐电路），使用电感器L和电容器C来产生设定频率的输出。电机用LC滤波器的作用通常是将驱动器的矩形PWM输出电压转换为低残余纹波的平滑正弦波。其优点包括通过避免高dv/dt、过压、过热和涡电流损耗来延长电机寿命。

浪涌保护器的工作原理是对电流进行阻断或短路，或组合浪涌阻断和短路措施。

• 阻断浪涌保护

电流可以采用电感器进行阻断，电感器可抑制电流的突然变化。但是，大多数浪涌保护器会在发生过压时产生短路，从而将电流引回配电线路中，并在那里由电路导线中的电阻进行耗散。

• 短路浪涌保护

快速短路（当电压超过设定水平时触发）是用火花隙、放电管或半导体器件来实现。只有在极少情况下（大浪涌或非常长的浪涌期间），浪涌会熔化浪涌保护器的电源线或内部元器件。电容器也可以抑制电压的突然变化。

浪涌保护器的主要规格包括箝位电压、响应时间和额定能量。箝位电压又称为允通电压，是允许通过浪涌保护器的最大电压。120V器件的典型箝位电压为220V。额定能量（通常以焦耳为单位）是浪涌保护器内的元器件在烧毁失效前所能吸收的最大功率。

对于浪涌保护器而言，一个经常被忽视的重要规格是当浪涌保护器发生故障时会发生什么。如果浪涌超过保护器的额定能量，并且内部子部件发生故障，该保护器将不能再提供浪涌保护。但这并不意味着断电：一些浪涌保护器在发生故障后会继续供电，比如一些设计用来保护服务器或其他电子存储器的浪涌保护器。若不能再提供浪涌保护，唯一指示可能是警示灯。其他浪涌保护器确实会在失效时切断电源或减少电力传输。

关键应用中UPS辅助发电机

UPS和发电机可提供备用电源，确保在停电和欠压期间操作的连续性。UPS使用电池，通常设计为提供几分钟到几小时的电力。发电机使用发动机长时间发电，直至燃料用尽。

UPS能即时对停电进行响应，确保供电不中断。而发电机的启动时间至少为几秒钟。对于需要连续供电的应用，必须将UPS与发电机相结合，以便在发电机启动时能实现供电。

UPS保护设备不受断电影响。离线或电压和频率依赖型UPS性价比最高，但有两大不足：

• 在正常情况下，离线UPS将电流直接经过蓄电池传递到输出。当UPS电路检测到断电时，开关通过逆变器将电池连接到输出。这意味着电源可能中断多达25毫秒。
• 此外，离线UPS也很少或根本不能对其他电能质量问题（如浪涌和噪声）提供保护。

相比之下，线路互动式或电压独立 (VI) UPS的工作原理与电压和频率依赖型UPS基本相同，但前者额外配有稳压器，可在正常操作下提高电源输出质量。此类系统仍有一段断电切换时间，但通常只有5毫秒左右，与大多数电源的保持时间相当。

在线UPS又称电压和频率独立型UPS，使电源的复杂程度进一步提高，以提供最大的保护。在UPS中，负载不直接连接到市电电源，而总是从系统电池汲取电力，电池则由市电电源持续充电。市电交流电源转换为电池电压并整流为直流，从而可以为电池充电。然后，来自电池的电力经过逆变以产生交流电，并由另一个变压器升压到市电电压。这意味着电源中的电能质量问题不会影响输出，并且提供非常高的电能质量和保护水平。但是，这也导致能源效率大幅降低，且前期的 UPS 成本更高。

除了最敏感和最关键的负载外，离线UPS结合具有足够保持时间的电源是更好的选择。

总结

在确定设计对电能质量的要求时，第一步是防止低品质市电、电噪声和谐波造成的停机和维护成本。根据机器的设计和功能，这些要求有很大的不同。但是，一旦定义了这些参数，设计工程师就可以正确指定具有滤波、浪涌抑制、备用电源和电源调节功能的电源。这样可以极大地提高自动化设备的可靠性。

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作者：Alan Yang

关键词：信号，工作原理

你可能会知道Delta-Sigma(Σ-Δ) ADC可以达到很高的精度，它是具体怎么实现的？ 本文将从量化噪声、信噪比、过采样等概念出发，分析Delta-Sigma ADC的工作原理。

读懂几个ADC的基本概念

我们在了解Delta-Sigma (Σ-Δ) ADC原理之前，先明确几个概念：

1. 量化噪声

下图中，蓝色斜线是连续的模拟信号，阶梯状波形是经过ADC转换后的离散信号。如果我们把这个两个相减，会得到右边那个像锯齿波一样的量化误差。

量化噪声（Quantization Noise），这里Q值代表量化，如果采样越快，两个Q之间的距离越小，Q的幅值越低，也就是量化噪声的幅值越低。虽然Q值幅值变低，但是它包围的面积不变。因此，改变采样速度，可以改变量化噪声的幅值，但不能改变量化噪声的总能量。

从时域里看，对于一个模拟的Sine波形，经过ADC转换数字化后，我们会得到锯齿状的Sine波形。我们加快采样速度，可以把锯齿变得很细，但是依旧存在，并且量化噪声的总能量不变。

2. 信噪比

如果我们把上面的Sine波形放到频域里看。我们希望信号频率的幅值尽量大，而噪声幅值尽量小。

上图的噪声主要来源于量化噪声，通过信噪比计算，我们会得到一个固定的公式：

信噪比SNR(dB)=6.02N + 1.76 （噪声仅考虑量化噪声）

• SNR：指的是量化噪声信噪比（Signal noise ratio）
• N：指的是ADC采样位数。如果我们把N提高，信噪比提高，即信号更大，噪声更小。采样质量变好，因此，提高ADC采样位数，可以提高采样质量。

一般来说，提高采样位数，往往意味着ADC的成本可能也会更高。

有没有不提高位数，同样优化信噪比的方法呢？答案是“有的”，那就是过采样。

3. 过采样提高信噪比

我们把图3进一步简化。下图红色箭头表示主信号的幅值，灰色代表噪声幅值，平均分布在DC到fs/2之间。（fs为采样频率）

如上图，如果我们将采样率提高K倍，噪声能量不变，并且平均分布在更宽范围，从而噪声的幅值降低。原始信号没变，但是噪声幅值减少，也就是信噪比提高了。提高采样率之后的信噪比公式：

SNR=6.02N+1.76dB+10log(OSR)

其中，过采样速率OSR =Fs/(2 ᵡ BW), BW为带宽。（注意：此公式仅适用于只存在量化噪声的理想ADC）

因此，提高采样率有助于提高信噪比。

• 小贴士：如何在Digi-Key中选择Delta-Sigma (Σ-Δ) ADC

我们可以在Digi-Key网站中模数转换器（ADC）大类下，在架构选项找到“三角积分”，即Delta-Sigma ADC。

可以通过参数来筛选ADC。比如通过ADC采样位数、采样率等关键参数来筛选合适的ADC：

Delta Sigma调制的原理

Delta Sigma调制，即把模拟信号调制成方波形式的PCM（Pulse Code Modulation）信号。PCM波是一个频率固定占空比变化的波，通过比较信号和高频调制波产生。然后经过数字滤波，再通过解调，得到一个数字化的最终结果。

其中数字解调滤波器可以和调制器一起集成在Delta Sigma ADC里面。也可以把Delta Sigma调制器部分做成一个独立的调制芯片，然后把数字解调滤波器集成在MCU里，比如TI C2000。

解调的过程其实是根据一定比率对信号进行抽取，抽取率DR=Fs/Fd。

• Fs为调制频率
• Fd为解调后的频率

下面重点讲一下Delta Sigma调制器的工作原理与数字滤波器：

Delta Sigma 调制器的工作原理

通过Delta Sigma调制器调制，我们把模拟信号调制成方波形式的PCM信号。

我们想象一下啊，下图模拟信号（红色虚线）和PCM信号（黑色方波状的波形），表达的是同一个信号。

Delta Sigma调制器传递函数

通过上面的环路，进行Delta-Sigma数字化调制。

环路的传递函数, 输出等于输入与输出之间的差值乘以前向的积分环节加上量化噪声。我们可以得到传递函数：

求解这个传递函数，我们得到输出Dout

经过Delta-Sigma调制环节之后，信号被优化，我们在频域范围内更好理解。

当频率较低时，信号保留，量化噪声被削减，当频率比较高时，量化噪声保留，信号削减。

因此，通过Delta-Sigma调制环节之后，有效信号频带的信噪比进一步被优化。

数字滤波器

通过Delta-Sigma 调制器之后，我们还需要进一步数字滤波。

下图是经过Delta Sigma调制器之后的幅频特性，如果我们设计一个如下图红线所示的数字滤波器（比如一个低通滤波器）把红线右边的高频噪声滤除，那么剩下就是有效的信号信息。

而数字滤波器的带宽，幅频特性，我们可以参数或者阶数去调节。

两种常用两种滤波器，可以实现我们要的幅频特性：

下面我们通过一个实例进行说明：TI ADS1672芯片使用了55阶的FIR (Finite Impulse Response，即有限脉冲响应)，实现了宽带通带滤波器的功能，同时意味着，需要延迟55个时钟周期来完成滤波。

一般来说，阶数越高，幅频特性越好，量化噪声衰减越厉害。但是，阶数越高，带来的延迟也越大。所以，在更好的幅频特性还是要更快的响应，有时我们不得不取舍。

• 小贴士： TI ADS1672对应开发板ADS1672EVM-PDK

ADS1672EVM-PDK ，24位 ，78.1k ~ 625k采样率，包括ADC评估软件ADCPro™ ，内置分析工具，包括示波器、FFT和直方图显示等，帮你节省设计时间。

本文小结

Delta-Sigma (Σ-Δ) ADC可以达到很高的精度，需要过采样、数字滤波消除量化噪声，从而实现高分辨率。而这样做的代价是牺牲了采样速度，延迟变大，功耗也不小。基于这样的特性，Delta-Sigma (Σ-Δ) ADC在连续信号采集，高精度测量等领域有着广泛的应用。

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更多有关模拟数字转换器（ADC）的技术文章，请参看以下文章, 也欢迎大家在文未留言讨论。

• Δ-Σ ADC 抗混叠滤波器组件选择
• ADC和DAC的基准类型
• ADC 中的 “模拟地” 和 “数字地” 的接地问题，该如何处理?
• 浅谈SAR ADC 驱动电路设计
• 浅谈 SAR ADC 原理

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本期Digi-Key Daily向大家推介两款产品——RECOM RPX-1.0/RPX-1.5系列降压开关稳压器和Tripp-Lite Smart Pro系列LX平台交换式PDU和UPS系统。

产品一：RECOM RPX-1.0/RPX-1.5系列降压开关稳压器

高度集成、外形紧凑的DC/DC降压开关稳压器，是很多物联网、工业和电机控制、医疗和成像设备、自动化测试设备设计中必不可少的电源管理器件。今天我们为大家推荐一款来自RECOM 公司，专门针对这样的设计需求而优化的产品。

RECOM公司的RPX-1.0（1W）和RPX-1.5（1.5W）系列DC/DC降压转换器，输入电压范围4V_DC到36V_DC，输出电压范围可以在0.8V_DC 到30V_DC的范围内调整，分别可提供1A和1.5A的输出电流。

该器件采用微型3mm x 5mm x 1.6mm QFN封装，使用倒装芯片技术对其热性能进行了增强。这些器件还有一个独特之处在于，它们包括一个集成的屏蔽电感器，可减少EMI电磁干扰的发射。此外，RPX-1.0/RPX-1.5系列降压开关稳压器的其他特点包括SCP、OCP、OTP和ULVO保护功能，并具有使能、电源良好、软启动和同步功能。

了解RECOM RPX-1.0/RPX-1.5系列降压开关稳压器的更多信息，请看以下视频：

产品二：Tripp-Lite Smart Pro系列LX平台交换式PDU和UPS系统

PDU和UPS系统是确保电源系统可靠性和安全性必不可少的一环。Tripp-Lite的LX平台交换式PDU和UPS系统包含自动探测功能，这使得该产品能够检测网络中断并采取恢复性措施，而无需任何人工干预。

具体来讲，这种自动探测功能允许LX平台设备与网络上的一个或多个设备通信，从而使产品能够在没有人介入的情况下检测和采取恢复性操作。这些设备的ping通信响应充当由PDU或UPS不断监测的搏动，如果PDU或UPS在多次通信尝试后未能检测到搏动，自动探测器将执行用户可配置的操作，以帮助将设备返回到操作状态。

自动探测是Tripp-Lite网络卡看门狗探测功能的扩展，但是与看门狗探测功能不同，后者在触发时会自行重启（网络卡），而自动探针可以通过循环为设备供电的插座来重启另一台设备。

了解Tripp-Lite Smart Pro系列LX平台交换式PDU和UPS系统的更多信息，请看以下视频：

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关键词: 保护, 电路设计

问：你知道玻璃保险丝和陶瓷保险丝的区别吗？

在Digi-Key网站上搜索数量庞大的保险丝，可能有点令人难以招架。为此，我们提供了玻璃主体或陶瓷主体保险丝相关的几个主要参数供你选型时使用。下面我们就以常见尺寸（3AB、3AG、1/4″ x 1-1/4″）的玻璃和陶瓷保险丝为例进行说明。

你可能会问，“玻璃和陶瓷保险丝有什么区别？我选择玻璃的还是陶瓷的保险丝又有什么关系呢？”我们来看看下图中对玻璃和陶瓷保险丝的比较（二者规格相同，均为1安培、250VAC、快断型）。

请注意表格中的“额定电压下的熔断能力”。 在相同的额定交流电压下，陶瓷保险丝的熔断能力为1.5k安培，比玻璃保险丝的35安培要高得多。熔断能力是指保险丝能安全中断电路的最大电流。与相同规格的玻璃保险丝相比，陶瓷保险丝在高电流期间能够提供更好的热保护和电弧保护。

在选择保险丝时，如果应用中不太可能发生高电流情况，则可以选择玻璃保险丝（将熔断能力与保险丝可能遇到的潜在电流相比），因为这样可以很方便地查看灯丝是否损坏。而陶瓷具有更高的熔断能力，可提供更高水平的热保护和电弧保护，更适合可能发生高电流情况的应用。

那么，我们可以将二者交换使用吗？如果所有规格和安全等级均相同 ，则可将玻璃保险丝更换为陶瓷保险丝，但不建议用玻璃保险丝代替陶瓷保险丝。

最后有一个“重要说明”： 本文中提到的保险丝是用于各种家庭用品和电子器件的标准玻璃和陶瓷柱形保险丝， 并不是用于大功率设备和万用表的HRC（高熔断能力）保险丝，即使它们看起来可能有些相似。 切勿用这些普通的玻璃或陶瓷保险丝来更换HRC保险丝。 若要寻找大功率和万用表保险丝选项，请在Digi-Key网站上搜索“专用保险丝”。                                

更多与保险丝相关的技术信息，请查看以下内容：

• 保险丝性能与应用温度环境的关系
• 从保险丝的时间与电流特性,如何选择适当的保险丝?
• PTC可复式保险丝，真的能替代保险丝吗？
• 保险丝的热熔值I2t和分断能力
• 电路保护 – 被动元器件

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关键词: 工作原理, 电机, 电感

问：电磁基础浅谈

你是否曾经想过电机是如何工作的？你是否曾经想过继电器是如何工作的？这些产品都有一个共同之处，就是都采用了电磁技术。

在许多应用中，电磁是电气设计中一个关键因素。本文旨在帮助你认识和理解导体周围磁场形成的基本概念。本文将不涉及计算部分，因为那属于进阶部分，不过以下示例应该对你从头理解并正确使用电磁技术有所帮助。

电磁技术的基本概念

电磁

通过导电材料的电流产生的磁场，垂直于根据“右手法则”确定的电流流动的方向。导线的两种“初级”形状对应着不同的解释，一种是直线导线，另一种是线圈导线。

直线

下图是直线导线的直观示例。

如果你用右手“握住”电线，想象电流朝着拇指方向流动，则磁场会在三维空间中围绕导线形成；磁场的方向和形状与其他四根手指在电线周围卷曲的方式相同。为展示这一效果，我制作了一个简短的动画，可帮助你理解：

磁场不仅在特定方向上围绕在导线周围，还会从中心“扩展”，强度也逐渐降低。如果在灰色平面处放置一个铁磁针，则磁场的“北”极将会被吸引到地球的南极。

注意：只要电流流过整根导线，磁场就会在导线周围蔓延开来。

线圈

线圈是由许多顺时针或逆时针旋转的“环”组成的。环路在制造电磁铁时特别有用，因为电流从一个方向流入并从另一个方向流出，进而产生相反方向旋转的磁场。当磁场相互作用时，由于两个磁场均指向相同的相对方向，因此可以增强中心磁场。为了更好地解释这一现象，请参见以下示意图：

注意，磁场箭头在灰色平面上以相同的相对方向在中心处相交。由于这些磁场非常接近，因此可增加中心合成磁场的强度。这一特性在数个环路中表现得更加强大，例如电感、机械继电器和变压器等技术中使用的线圈。

下图是线圈的直观示例。

绕线通常缠绕在具有高磁导性的铁磁芯或材料上。这一次，假设你握着周围缠绕着电线的固体材料。围绕在“棒”周围的四根手指代表线圈和电流流动的方向。拇指表示北极的位置以及磁场从最接近拇指的一端出来的方向。下图更加详细地展示了顺时针线圈和逆时针线圈。

蓝色线表示线圈弯曲处的较小磁场。注意顺时针方向的磁场都是从上到下指向线圈中心的。反之，逆时针线圈的磁场则从下到上指向中心。再次说明，磁场实际上是360度围绕整个线圈的。它们也向外辐射，但强度会逐渐降低。以下是另一个显示此特性的动画：

当电流方向反转时，磁场的极性就会切换：

电磁技术示例

以下是四种涉及电磁的技术示例。

变压器

变压器会使用不同数量环（匝数比）的组合以及一侧产生的磁场。由于交流电流每秒会在正负极间波动60次（美国）或50次（欧洲），因此一侧产生的磁场的极性会不断变化且强度也在增加/减少。改变的磁场到达另一个线圈时，会“感应”出不同电平的电压（取决于该线圈的匝数）。

机械继电器

机械继电器则以非常直接的方式利用磁场的极化。由于线圈的北极具有确定的方向（根据电流方向和绕组方向），因此这种磁场可用于下拉通常能导通更大电流（比线圈大得多）的铁磁连接头（加载到线圈的电流和跨连接头的电流是隔离的）。这就是为什么几乎总会有图片显示线圈的哪一侧应通电（对于直流继电器），因为电流方向是正确致动的关键因素。

电感

电感的一个关键特性是回冲。电感内部和周围产生的磁场会存储能量，并且在快速断电的情况下，会在连接的电路上以非常高的电压释放能量。如需了解更多详情，请参见此贴文：电感特性：为什么朝向不重要。

电机

电机一般（无论交流或直流）都会基于磁场进而运转。在直流有刷电机中，定子（不移动的部件）具有称为电刷的电连接，可向具有线圈的转子（动的部件）提供电流。由电产生的磁场被内部的永磁体排斥，从而产生转动。交流电机具有若干种方法，但一般的概念是相同的，即，电能产生的磁场被其他磁体排斥。

了解更多产品基础技术信息，请查看以下内容：

• 5G——基础知识
• 电子元器件选型基础-电容
• 电子元器件选型基础-电阻
• 电子元器件选型基础-胶带
• 电子元器件选型基础-晶振

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在众多连接器类型中，模块化连接器是重要的品类。所谓“模块化”，就是使用标准化的连接器组件单元，根据特定应用要求创建出一个更为复杂、定制化的互连解决方案，这为互连系统的设计带来了极大的灵活性。因此，模块化连接器也是各个连接器厂商竞争的一个主要赛道。

Cinch Connectivity的C-ENX™模块化矩形连接器就是其中一款值得关注的产品。该连接器基于EN 4644和ARINC 810标准而设计，包括触点、插入件和外壳的模块化组件。其中的插入件，包括具有6个电源触点和24个信号触点的Galley连接器，也包括用于CAN数据总线连接的Twinax连接器。模块化插入件可与所有B尺寸的C-ENX插入件互换，带来了更大的灵活性和可扩展性。

该连接器采用中心锁定紧固件，外形紧凑且能够提供可靠连接；镀镍铝外壳有利于机械、化学和EMI保护。

C-ENX™ EN4644模块化矩形连接器专为商业航空航天舱内设备和厨房而设计，ARINC 810连接器可用于微波炉、冰箱、冷却器、垃圾压实机，以及商业航天厨房中使用的其他设备。

产品特性

• 基于EN 4644和ARINC 810标准的设计
• 中心锁定紧固件，缩小外形
• 镀镍铝外壳，用于机械、化学和EMI保护
• 模块化插入件可与所有B尺寸的C-ENX插入件互换

典型应用

• 商用和军用飞机
• 需要扁平外形和轻巧设计的运输设备
• 配电系统

→ 想要了解C-ENX™ EN4644模块化矩形连接器的详细信息，点击这里>>

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