这三点入手帮你认识数字隔离器,从此光耦是路人

来源:网络整理 作者:佚名2017年03月13日 12:19
[导读] 在恶劣的电机应用环境中,应用要求能够抵御高压瞬变,防止数据受扰,并且消除高压电压力对隔离器隔离寿命的影响。此类应用的典型隔离解决方案是光耦合器,其内部绝缘层很厚,可以承受高压,但缺点是要使用发光二极管(LED),其光强度会随着时间推移和温度变化而降低,这就会带来设计和可靠性问题。

在恶劣的电机应用环境中,应用要求能够抵御高压瞬变,防止数据受扰,并且消除高压电压力对隔离器隔离寿命的影响。此类应用的典型隔离解决方案是光耦合器,其内部绝缘层很厚,可以承受高压,但缺点是要使用发光二极管(LED),其光强度会随着时间推移和温度变化而降低,这就会带来设计和可靠性问题。

新型数字隔离器不使用LED,消除了可靠性问题,改善了绝缘能力,可与光耦合器相媲美,除此之外,它们的优势是对高压瞬变的抗扰度更强,能够更好地满足电机控制应用的要求。

认识数字隔离器,从基本框架开始

数字隔离器结构和技术如图1中的示例框图所示。根据具体架构,数字隔离器响应输入逻辑电平或输入脉冲。可使用不同方法编码和解码信号,以便跨越隔离栅收发逻辑数据。

图1. 数字隔离器框图

脉冲编码技术如图2所示,其优点是当编码和解码脉冲之间的时间较长时,低数据速率下消耗的电源电流较低。

图2. 数字隔离器:脉冲编码数据架构

载波技术如图3所示,即所谓开关键控(OOK),其在低数据速率时消耗的电流多于脉冲编码方法。在较高数据速率(10 Mbps以上)时,OOK方法消耗的电源电流少于脉冲编码技术。OOK技术相比于脉冲编码技术的优势在于,OOK技术的逻辑更简单,故而传播延迟更低,最大数据速率更高。

图3. 数字隔离器:开关键控数据架构

脉冲编码技术的缺点是:如果外部噪声扰乱了输出数据,这种状况会持续一微秒或更长时间,直至内部纠错逻辑纠正错误或出现新的数据沿。对于电机控制应用,这可能意味着栅极驱动器开关或反馈控制信号会在一定时间内失控,该时间足够长,以至于开关电路或电机驱动可能受损。利用OOK技术,如果电压瞬变扰乱数据,这种扰乱只会在噪声出现的短暂时间内干扰数据输出,因为信号是被持久不变地驱动的。此外,由于架构较简单,OOK数字隔离器可以设计得非常鲁棒,不惧电机控制应用中的电气噪声。

数字隔离器的抗扰度如何?

在大型电机应用中,当电机控制开关电路在桥电压中产生步进变化时,隔离栅上的共模电压变化可能会产生噪声。隔离器耐受此高压摆率电压瞬变且隔离器输出不受干扰的能力,便是共模瞬变抗扰度(CMTI)。光耦合器的CMTI可能不是很高,因为其接收元件非常敏感,易受容性耦合效应影响。光耦合器的容性耦合是一种单端结构,信号和噪声只有一条路径跨越隔离栅。这就要求信号频率必须远高于预期的噪声频率,以便隔离栅电容对信号提供低阻抗,而对噪声提供高阻抗。当电机控制信号频率较低时(通常低于16 kHz),共模瞬变的高频成分会高于信号频率,其幅度可能足以扰乱光耦合器输出。

考察图4所示的基于变压器的数字隔离器,变压器有一个差分输入结构,其为输入信号和噪声提供了不同的传输路径,因此必然具有更大的共模噪声抗扰度,而且不存在光耦合器要求信号频率高于噪声频率的限制。改进的电气噪声抗扰度使得器件能在高噪声环境下可靠地工作。

图4. 变压器耦合数字隔离器框图

图5显示了电机控制开关期间共模瞬变的高桥电压和快速dV/dt的开关噪声,数字隔离器必须能抵抗这种干扰。

图5. 电机控制应用中的共模瞬变dV/dt

示波器波形显示,对于开关键控架构的变压器耦合数字隔离器,要扰乱数据,从GND2到GND1的快速共模瞬变(CMT)须高于150 kV/μs,而且隔离器输出受扰乱的时间非常之短,只有区区3 ns。实现超高CMTI的关键在于发送器必须不断产生差分载波信号,并且接收器必须具有很高的输入共模变化抗扰度。

必须关注的浪涌保护能力

电机控制应用中可能出现高压瞬变或浪涌,此类浪涌的峰值可能超过10,000 V,而上升时间仅有1.2 μs。光耦合器通过很厚的内部绝缘层来满足浪涌保护要求。对于采用二氧化硅的数字隔离器,为使内部应力不致引起裂缝,可制成的绝缘厚度是有限制的。采用聚酰亚胺的数字隔离器绝缘可以改善浪涌保护能力,分为多层制造且总厚度为30 μm的聚酰亚胺绝缘业已证明非常有效。在图6中,30 μm聚酰亚胺的浪涌测试结果表明它非常鲁棒,可以耐受±20 kV峰值。

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