數字電容隔離器的應用環(huán)境通常包括一些大型電動(dòng)馬達、發(fā)電機以及其他產(chǎn)生強電磁場(chǎng)的設備。暴露在這些磁場(chǎng)中，可引起潛在的數據損壞問(wèn)題，因為電勢（EMF， 即這些磁場(chǎng)形成的電壓）會(huì )干擾數據信號傳輸。由于存在這種潛在威脅，因此許多數字隔離器用戶(hù)都要求隔離器具備高磁場(chǎng)抗擾度 (MFI)。許多數字隔離器技術(shù)都聲稱(chēng)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(wú)窮大的　MFI。本文將對其設計進(jìn)行詳細的介紹。

基本物理定則
諸如電動(dòng)機的電源線(xiàn)等帶電導體，其周?chē)�便是一個(gè)由流經(jīng)它的電流形成的磁場(chǎng)。應用右手定則（請參見(jiàn)圖 1），我們很容易便可以確定該磁場(chǎng)的方向。該定則的內容如下：用右手握住導體，然后拇指指向電流的方向，這時(shí)環(huán)繞導體的手指便指向磁場(chǎng)的方向。因此，磁通線(xiàn)的平面始終與電流垂直。
圖 1 顯示了 DC 電流的磁通密度 B。就 AC 電流而言，將右手定則用于兩個(gè)方向，磁場(chǎng)和 AC 電流都隨同一個(gè)頻率 f 而變化：B(f) ~ I(f)。磁場(chǎng)（或者更加精確的說(shuō)法是磁通密度及其相應磁場(chǎng)強度）隨導體中心軸距離的增加而減弱。這些關(guān)系可以表示為：

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(chǎng)強度。
圖 1 右手定則

磁場(chǎng)線(xiàn)穿過(guò)附近導體環(huán)路時(shí)，它們會(huì )產(chǎn)生一個(gè) EMF，其強度大小取決于環(huán)路面積和通量密度及磁場(chǎng)頻率：

EMF 為以伏特為單位的電勢，f 為磁場(chǎng)頻率，而 A 為以平方米 (m²) 為單位的環(huán)路面積。
所有隔離器都有一定形狀或者形式的導電環(huán)路，以讓磁場(chǎng)線(xiàn)穿過(guò)并產(chǎn)生 EMF。如果強度足夠大，則這種疊加到信號電壓上的 EMF 就會(huì )導致錯誤數據傳輸。實(shí)際上，一些隔離技術(shù)對電磁干擾非常敏感。為了理解電容隔離器為什么不受磁場(chǎng)的影響，我們需要對其內部結構進(jìn)行研究。

電容隔離器的結構
電容隔離器由兩塊硅芯片—一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收機組成（請參見(jiàn)圖 2）。數據傳輸在由兩個(gè)電容構成的差動(dòng)隔離層之間進(jìn)行，在每個(gè)電容的二氧化硅 (SiO₂) 電介質(zhì)兩端都有一塊銅頂片和一個(gè)導電硅底片。發(fā)送器芯片的驅動(dòng)器輸出通過(guò)一些接合線(xiàn)連接到接收機芯片上隔離電容的頂片。通過(guò)將電容的底片連接接收機輸入構成了一個(gè)導電環(huán)路。圖 3 顯示了隔離層的等效電路結構圖，并標示出了金接合線(xiàn)之間的環(huán)路區域。很明顯，穿過(guò)該環(huán)路的磁場(chǎng)將會(huì )產(chǎn)生一個(gè) EMF，其表示下面 RC 網(wǎng)絡(luò )的輸入電壓噪聲 V_n1。我們常常碰到的第二種差動(dòng)噪聲部分 V_n2，其產(chǎn)生原因是共模噪聲到差動(dòng)噪聲的轉換。兩個(gè)噪聲分量共同組成了綜合噪聲 V_n。如果只考慮 EMF 的影響，則可以保守地將 V_n 一分為二：

圖 2 電容隔離器內部結構的簡(jiǎn)化結構圖

圖 3 隔離層的等效電路結構圖

若要觸發(fā)接收機，RC 網(wǎng)絡(luò )的輸出必須提供一個(gè)差動(dòng)輸入電壓 V_ID，其超出了接收機輸入閾值。是否出現偽觸發(fā)，具體取決于 RC 網(wǎng)絡(luò )的增益響應 G（f）。
將差動(dòng)網(wǎng)絡(luò )轉換為單端網(wǎng)絡(luò )（請參見(jiàn)圖 4），簡(jiǎn)化了 G (f) 的推導過(guò)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(wǎng)絡(luò )

一次電路仿真證實(shí)了 RC 網(wǎng)絡(luò )為一個(gè)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(jiàn)圖 5 中藍色曲線(xiàn)）。超出這一頻率以后，寄生組件 C′₂ 和R′₂生效，從而引起稍稍偏離于線(xiàn)性的斜率。因此，頻率達到 100 MHz 以后，增益響應可以表示為 V_ID/v_n 的比：

確定不會(huì )引起偽接收機觸發(fā)的最大允許噪聲，要求對方程式 5 求解 v_n：

然后，將 v_n 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)|

通過(guò)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：
V_ID = 10 mV（接收機輸入閾值的大�。�
R′₁ × C′₁ = 25 ps（有效時(shí)間常數）
A = 944 × 10^{–9 m2}（有效環(huán)路面積）
f = 1 kHz to 100 MHz（相關(guān)頻率范圍）
表 1 距離電容隔離器 0.1m 的導體的電流值和磁場(chǎng)值

利用方程式 2 和 3 還得到 EMF、磁場(chǎng)強度 (H) 以及導體（此處假設將來(lái)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(wú)限 MFI 的原因是隔離電容的位置。如果這些電容位于發(fā)送器芯片上，則任何接合線(xiàn)中產(chǎn)生的 EMF 都能夠影響到未受干擾的接收機輸入。
很明顯，這種高 MFI 值不可能進(jìn)行實(shí)際的測試。電容隔離器的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)說(shuō)明了僅 1000 A/m 的適度值作為實(shí)際測試用。然而，無(wú)屏蔽電容隔離器可以輕松通過(guò) 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(chǎng)以及 1000 A/m 脈沖電磁場(chǎng)的應用。5 級規定了許多導體、總線(xiàn)或者中高壓線(xiàn)路的惡劣工業(yè)環(huán)境，它們都攜帶有數萬(wàn)安的電流。另外還包括許多攜帶全部雷電電流的雷電保護系統和高層建筑結構（例如：電纜塔等）的接地導體。重型工業(yè)廠(chǎng)房和電站的室外配電裝置也是這種環(huán)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(jìn)行了對比。

圖 6 MFI 測試閾值


結論
超出電容隔離器差動(dòng)電路噪聲預算的磁耦合要求 1MHz 下大于 11.7 V•s/m²（117千高斯） 的磁通量密度。這需要在一個(gè)距離器件 0.1m 的導體中有超過(guò) 5 百萬(wàn)安的電流才能產(chǎn)生這樣一個(gè)磁場(chǎng)。在自然界或者任何制造設備中這都是不可能存在的。如果的確存在，那么設計人員便可做以下情況假設：在隔離層失效以前，周?chē)�的電路便都已失效�?/font>