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安全限值由隔离器失效模式确定

德州仪器 2021-05-10 15:05 次阅读

电隔离在工业和汽车系统中很常见,是进行高压防护或抵消接地电位差的一种手段。设计人员以前使用光耦合器进行隔离,但在最近几年中,采用电容式隔离和磁隔离的数字隔离器变得越来越流行。在使用这样的隔离器时,了解它们的安全限值及其使用方法对于系统设计至关重要。

在使用隔离器的系统中,需要确保隔离器的隔离作用即使在故障条件下也不会受到影响。为实现此目标,各种元件监管标准(例如,面向光耦合器的IEC 60747-5-5或面向电容式隔离器和磁隔离器的VDE 0884-11)规定了安全限值。这些值指明了隔离器的工作条件边界范围,在相应范围内,即使功能丧失,也需保持绝缘。

安全限值由隔离器失效模式确定

为了理解安全限值的作用,让我们了解一下隔离器的设计方式。图1和图2分别说明了一个光耦合器和一个电容式数字隔离器的结构。在光耦合器中,由硅树脂材料和绝缘带在信号两侧之间提供隔离,而LED 和光电探测器提供信号传输。在数字隔离器中,由两个独立硅片上的两个高压电容器通过串联连接提供隔离,而耦合到高压电容器的电子发送和接收电路提供信号传输。

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图1:横截面图展示了光耦合器的构造以及故障条件

可能产生的影响

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图2:数字隔离器的横截面图展示了故障条件可能对其

隔离性能产生的影响

隔离器某一侧的高电压/大电流/大功率故障事件可能会损坏该侧的电路。例如,诸如短路、静电放电(ESD)和功率晶体管击穿之类的事件可能会迫使意外的高电压和大电流进入隔离器的引脚,从而损坏LED、光电探测器、发送和接收电路以及片上ESD 保护。如果芯片上有足够大的功率耗散,则电路也可能受到重大的结构性损坏,例如硅树脂绝缘熔融、高压电容器极板短路或键合线熔化。这种结构性损坏会降低隔离器的隔离性能。

从终端系统的角度来看,即使在电应力和热应力事件阻碍了隔离器的信号传输功能之后,也可能需要满足隔离要求。这是因为隔离栅的损坏可能导致次级系统故障或发生电击危险。例如,在图3中,数字隔离器可在系统其余部分悬空时保护已接地的控制和通信模块。必须考虑数字隔离器内部和周围可能降低隔离器隔离性能的任何故障,以避免DC-对地短路的影响。

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图3:数字隔离器无法在交流电机驱动器中提供保护性

隔离会导致对地短路,进而影响整个系统

实施安全限制是为了在隔离器的输入或输出电路出现故障时尽可能降低对隔离栅的潜在损害。隔离器元件标准将安全限值定义为发生故障时器件可以承受的最大输入或输出电流(IS)、最大输入或输出功率(PS)以及最高结温(TS),这种情况下即使可能损坏耦合元件的功能,但不会损害器件的隔离性。器件制造商必须指定这些参数,但仍由设计人员决定如何确保在出现故障时不会超出这些值,以便不会导致绝缘击穿。

作为制造商提供的安全限值的示例,图4展示了TI 的ISO7741数字隔离器在不同电源电压下的IS值和随环境温度变化的PS 值。这些值均未超出器件的最高安全结温(TS = 150°C)。根据这些曲线,例如,在100°C的环境温度下,器件内部最高可以耗散600mW 的功率,但不会对隔离性能造成任何潜在影响。

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图4: TI ISO7741数字隔离器的安全限值显示了在不影响器件隔离特性的情况下允许故障产生的功率耗散

电路利用安全限值的参数

制造商采用的材料和电路设计参数决定了器件的安全限值。根据安全标准的要求,光耦合器/数字隔离器用户必须在电路设计中提供足够的安全措施,并确保器件的应用条件不会超出器件的安全限值。这样的安全措施可能包括在故障条件下强制实施的电流和电压限制,或者是防止工作温度超过最大值的热管理。

让我们看一下实现数字隔离器安全限制的两个示例电路。尽管这些示例并不详尽,不能列举出所有可能的故障和结果,但它们阐明了安全限制的原理,可以提供在隔离式系统设计中实现安全限制的一种方法。

对于第一个示例,图5展示了一个数字隔离器用作模数转换器ADC)或模拟前端(AFE)与微控制器(MCU)之间的接口。我将分析该系统中任意一个初级故障,包括该单一故障产生的任何次级故障。(为防止多个初级故障,可能需要额外的电路。)此次分析将着重于MCU 侧的安全限制,但也可以对ADC/AFE 侧运用相同的原理。

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图5:在此示例中,数字隔离器用作接口,在ADC 或AFE 与MCU 之间提供隔离

让我们来了解一些故障及其对安全限制的影响。

· 初级故障1:VCC1至GND1的隔离器内部短路。短路在VCC1至GND1之间提供一个电阻RFAULT。根据最大功率传递定理,当RFAULT=RSUP 时,隔离器内会出现最大功率耗散。最大功率耗散等于(VDC3P3V)2/(4×RSUP)。当RFAULT 值非常低时,通过RSUP 和VCC1的电流等于3.6V/RSUP。必须设计RSUP 来耗散这一功率。但是,隔离器本身耗散的功率非常低(因为RFAULT约为0Ω)。示例:如果RSUP=RFAULT=20Ω,则隔离器的最大功率耗散为(3.6V)2/(4×20Ω)=0.162W。根据规格表,这一数值完全在ISO7741的安全限制功率范围之内。对于RFAULT 约为0Ω 的情况,20Ω RSUP 必须是0.65W的电阻器,才能产生需要耗散的功率。较高的RSUP 值始终是有益的,因为它可以减少故障条件下的功率耗散。但是,在正常运行情况下,还必须考虑RSUP 两端的压降。具有宽电源电压范围的隔离器(例如,ISO7741,该器件支持低至2.25V的工作电压)或超低功耗隔离器(例如ISO7041,该器件在1Mbps 时每通道仅消耗100µA 电流)是可支持更高RSUP 值的选项。

· 初级故障2:24V 至5V 直流/直流转换器中的输入至输出短路。在此情况中,24V 系统电源(可变为36V)出现在LDO 输入端。为防止故障进一步传播,必须将LDO 设计为在其输入端可承受36V 电压。隔离器可能无法承受该电压。

· 初级故障3:LDO 中的输入至输出短路。在此情况中,LDO 的5V 输入出现在其输出端。为防止故障进一步传播,数字隔离器必须能够在其电源上承受5V 电压(ISO7741满足此要求)。还必须考虑对MCU 的任何损坏(如果MCU 不能在其电源上支持5V)。在最坏的情况下,MCU I/O 引脚会损坏,并且对电源或对地的阻抗较低。

· 初级故障4:在MCU IN 和OUT 引脚上对地短路或对电源短路。在此情况中,流入隔离器引脚的电流可能会高于正常运行情况。电阻器ROUT 和RIN 可以帮助将此电流保持在安全限值范围内。例如,在5V 条件下,ROUT=RIN=100Ω 会将通过隔离器I/O 引脚的电流限制到50mA,这一数值远低于ISO7741的安全限制电流。

对于第二个示例,使用ISO1211的隔离式数字输入如图6所示。

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图6:在此示例中,隔离式数字输入电路使用TI ISO1211

隔离式数字输入从现场传感器接收信号,并将它们连接到一个主机可编程逻辑控制器。电压输入的标称值为24V,但最高可变为36V。ISO1211使用外部RSENSE 电阻器来精确限制流入SENSE 端子的电流。外部电阻器RTHR 可以调节数字输入的电压阈值。对于11V 输入阈值和2mA电流限值,RSENSE 和RTHR 的值分别为562Ω和1kΩ(有关详细信息,请在TI官网参阅ISO1211数据表)。

· 初级故障1:ISO1211内部的短路导致SENSE 和FGND 引脚之间的RFAULT 阻抗较低。和前面一样,在最坏情况下,ISO1211内部耗散的功率为(36V)2/(4×RTHR)。当RTHR = 1kΩ时,最坏情况下的功率为0.324W,这一数值处于ISO1211的安全限制功率范围之内。

· 初级故障2:外部电阻器RTHR 上的短路。ISO1211的内置电流限值会将从引脚获取的电流限制为RSENSE 设置的值。电阻器RTHR 在确定输入电流方面没有重要作用,因此RTHR 短路不会大幅改变流入ISO1211的电流或功率耗散。

· 初级故障3:输入电压上升到60V。安全数字输入系统必须考虑在故障条件下24V 工业电源上升到60V 的情况。ISO1211可以在保持3.1mA 电流限值的同时在输入引脚上承受60V 的电压(RSENSE = 562Ω)。耗散的最大功率为60V×3.1mA=186mW,完全在ISO1211的安全限制功率范围之内。

这两个示例说明了如何在安全限值的范围内分析和缓解不同的故障。但是,根据实际应用和安全目标,可能还需要采取其他措施。

结束语

使用隔离器时,很重要的一点是要了解它们的安全限值,并在设计中采取措施以符合这些值。在设计中未能考虑到安全限值可能会导致故障,从而造成系统严重损坏,而且如果隔离器的隔离栅失效,还可能会引起火灾和电气危险。文中的示例电路说明了在故障条件下确保维持安全限值的方法。

原文标题:一文助您了解并应用数字隔离器的安全限值

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MC33761 LDO稳压器 80 mA 1 V 高PSRR 低噪声 带开/关控制

1是一款低压差(LDO)开关稳压器,具有出色的噪声性能。由于其创新设计,该电路在没有外部旁路电容的情况下达到令人印象深刻的40uVRMS噪声水平。这款LDO采用小型SOT-23 5引线封装,在空间和噪声非常高的情况下代表了理想设计师的选择。 没有外部带隙电容可加快唤醒信号的响应时间并将其保持在40us(重复模式)内,使MC33761成为便携式应用的理想选择。 MC33761低压差(LDO)线性稳压器还采用了一种新颖的架构,可防止存在过多的下冲快速瞬态突发,如在任何突发系统中。 最后,静态线路调节优于-75dB,它自然屏蔽下游电子设备免受波动线的影响。 特性 超低噪音:150 nV / sq。根Hz @ 100 Hz,40mVRMS 100 Hz - 100 kHz典型值,I out = 60 mA,Co = 1.0mF 从OFF到ON的快速响应时间:200 Hz重复频率时典型值为40ms 准备1.0 V平台:ON,900 mV高电平 额定输出电流80 mA具有100 mA峰值容量 典型压降90 mV @ 30 mA,160 mV @ 80 mA 纹波抑制:70 dB @ 1.0 kHz 1.5%输出精度@ 25°C 热关机 V out 可在2.5 V,2.8 V,2.9 V,3.0 V下使用,5.0...
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MC33761 LDO稳压器 80 mA 1 V 高PSRR 低噪声 带开/关控制

MC7900 线性稳压器 1 A 5 V 负极

固定输出负线性稳压器旨在作为流行的MC7800系列器件的补充。该负电压调节器提供与MC7800器件相同的七电压选项。此外,负系统MC7900系列还提供MECL系统中常用的一个额外电压选项。 这些线性稳压器具有-5.0 V至-24 V的固定输出电压选项,采用限流,热关断和安全区域补偿 - 使其在大多数工作条件下非常坚固。通过充分的散热,它们可以提供超过1.0 A的输出电流。 规格: MC7900AC MC7900B MC7900C 容差 2% 4% 4% 温度范围 0°C至+ 125°C -40°C至+ 125°C 0°C至+ 125° C 包装 D2PAK,TO-220 D2PAK,TO-220 D2PAK,TO -220 特性 无需外部组件 内部热过载保护 内部短路电流限制 输出晶体管安全区域补偿 2%电压T可用油酸(参见订购信息) 无铅包可能有货。 G-Suffix表示无铅铅涂层。 电路图、引脚图和封装图...
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MC7900 线性稳压器 1 A 5 V 负极

LV5686PVC 线性稳压器 3通道 带6个高侧开关

PVC是用于汽车音响系统的多电压调节器。该IC具有3个稳压器,5V输出用于微控制器,9.85V输出用于照明,9V输出用于音频控制,6个高端开关。关于保护电路,它具有过流保护,过压保护和热关断功能。该IC最适用于汽车音响系统。 特性 3系统稳压器: VDD(MCU)照明音频 6个高侧开关 过流保护 BATT。检测:欠压1(
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FDMF2011 高性能100V智能功率级模块

11 电路图、引脚图和封装图
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MC33375 LDO稳压器 300 mA 高PSRR 带开/关控制

5系列是微功率低压差(LDO)线性稳压器,提供各种输出电压以及封装,SOT-223和SOP-8表面贴装封装。这些器件具有极低的静态电流,能够提供高达300mA的输出电流。输出端存在短路,内部热关断电路提供内部电流和热限制保护。 MC33375有一个控制引脚,允许逻辑电平信号关闭或转向 - 关于稳压器输出。 由于低输入至输出电压差和偏置电流规格,这些器件非常适用于电池供电的计算机,消费类和工业设备,其中延长了有用的电池寿命理想。 特性 低静态电流(OFF模式下为0.3 mA; ON模式下为125 mA) I O = 10 mA时输入至输出电压差为25 mV,I O时为260 mV = 300 mA 极其严格的线路和负载调节 稳定,输出电容仅为0.3 2.5 m输出电压3 mF 内部电流和热限制 逻辑电平开/关控制 应用 终端产品 电池供电的消费类产品 HandHeld Instruments 可携式摄像机和相机 摄像机和相机 电路图、引脚图和封装图...
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MC33375 LDO稳压器 300 mA 高PSRR 带开/关控制

FAN48617 固定输出同步TinyBoost®稳压器

17 电路图、引脚图和封装图
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NCP1594A 同步DC-DC降压转换器 集成 2.9至5.5 V 4A 开关频率高达2 MHz

4A提供了极大的灵活性,可以进行设计优化。该部件能够优化尺寸与效率之间的权衡和可调节性,以满足各种POL应用。可调功能包括软启动时序,开关频率,输出电压和工作模式(固定CCM模式或DCM / CCM操作)。附加功能包括REFIN输入,允许使用外部参考,可用于DDR终端应用。可通过两个输入选择九个输出电压,或者可通过两个外部电阻在外部调节该部件.NCP1594A具有过流,欠压和热故障保护功能。该部件在-40C至85C之间完全指定。 特性 优势 2.9 V至5.5V的操作 允许从3.3V或5V总线轨操作 可调频率从500 kHz到2 MHz 优化总体规模与效率的权衡 9固定输出电压或外部可调低至0.6V 节省外部电阻和/或提供设计灵活性 欠压,过流和过温保护 保护IC免受故障 可调节软启动 设置受控输出斜坡上升时间 安全启动到prebias输出 防止来自输出电容器的反向电流 外部参考输入 允许更改输出并可用于DDR终止应用程序 逐周期过流 防止过流情况 可调开关频率从500kHz到2MHz 在规模和效率方面优化设计 REFIN输入 允许在...
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LV52117QA 用于LCD面板的双输出DC-DC转换器

7是一款高电流双输出DC-DC转换器,可产生正电压和负电压。 LV52117特别适用于LCD显示器等电源应用。 特性 集成1.5MHz同步升压和逆变器转换器 2.75V至4.6V输入电压范围 4.6V至5.8V可调正输出(VDCO1) -5.8V至-4.6V可调负输出(VDCO2) 输出电流高达100mA 脉冲跳跃模式低负载条件 过流/短路保护 终端产品 液晶面板 电路图、引脚图和封装图
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LP2951_XFCS LDO稳压器 100 mA 带有错误标志输出

_XFCS 电路图、引脚图和封装图
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KA78R LDO稳压器 1 A 5至15V 带固定输出

XC是一款适用于各种电子设备的低压差稳压器。它提供带有TO-220-4引线全模封装的恒压电源。在满额定电流(1A)下,KA78RXXC的压差低于0.5V。该稳压器具有各种功能,如峰值电流保护,热关断,过压保护和输出禁用功能。 特性 1A / 3.3V,5V,8V,9V ,12V,15V输出低压差稳压器 TO-220全模封装(4pin) 过流保护,热关机 过压保护,短路保护 带输出禁用功能 应用 此产品是一般用途,适用于许多不同的应用。 电路图、引脚图和封装图...
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NCV8537 LDO稳压器 500 mA 低压差

7是一款高性能低压差线性稳压器。该器件基于流行的NCV8535,保留了其前代产品的所有最佳功能,包括高精度,出色的稳定性,低噪声性能和反向偏置保护,但现在包含一个电源良好输出信号,可以监控电源系统。 NCV8537完全符合AECQ100和PPAP标准。该器件的工作温度范围为-40℃至125℃,可提供固定或可调输出,采用10引脚3x3 mm DFN封装。 特性 优势 线路和负载高精度输出差异 多种应用的多功能解决方案 工作温度范围:-40C至125C 适用于汽车应用 低噪声(33 Vrms w / 10 nF Cnr和52 Vrms w / out Cnr) 非常受音频和娱乐系统欢迎 电源良好输出可用 自我监控调节器在哪里指定限制。 M最大电压输入16V,输入工作电压范围2.9 V至12 V. 性能稳定 符合AECQ100和PPAP 适用于汽车应用 应用 终端产品 网络系统,DSL /电缆调制解调器 汽车应用音频系统 导航系统 PCMCIA卡 手机 Camcoders and Cameras Cable SetTop Box MP3 / CD播放器 远程信息处理 导航系统 电路图、引脚图和封装图...
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NCV8518C LDO稳压器 200 mA 看门狗唤醒 复位和使能

8C器件是一款精密微功率稳压器。它具有5.0 V的固定输出电压,可在±2%范围内调节。它适用于所有汽车环境,并包含控制微处理器所需的所有功能。该器件具有低压差和低静态电流。它包括看门狗定时器,可调复位,唤醒和使能功能。该器件还包括安全功能,如热关断和短路保护。它能够处理高达45 V的瞬变。 特性 输出电压选项:5.0 V 输出电压精度:±2% 输出电流高达250 mA 低压差 70μA的低静态电流 低睡眠模式电流小于1.0μA 微功率兼容控制功能: - ENABLE - 看门狗 - 重置 - 唤醒 保护功能: - 热关断 - 电流限制 AEC-Q100 1级合格且PPAP能力 应用 终端产品 车身和底盘 仪器和集群 发动机控制单元 汽车 电路图、引脚图和封装图...
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NCV8518C LDO稳压器 200 mA 看门狗唤醒 复位和使能

NCV8535 LDO稳压器 500 mA 低Iq 超高精度 带使能

5低静态电流低压降(LDO)线性稳压器是一款高性能LDO稳压器。它具有+/- 0.9%的线路和负载精度以及超低静态电流和噪声,涵盖了当今消费类电子产品所需的所有必要功能。这种独特的器件保证在没有最小负载电流要求的情况下保持稳定,并且对于任何类型的小至1.0 uF的电容器都是稳定的。 NCV8535还配备了感应和降噪引脚,以提高设备的整体实用性。 NCV8535提供反向偏压保护。 特性 线路和负载的高精度(25℃时+/- 0.9%) 满载时的超低压降(典型值260 mV) 稳定性无最小输出电流 低噪声(31 uVrms) w / 10 nF Cnr和51 uVrms w / out Cnr) 低关断电流(0.07 uA) 反向偏向保护 2.6 V至12 V电源范围 热关断保护 目前的限制 仅需1.0 uF输出电容以确保稳定性 使用任何类型的电容器(包括MLCC)均可稳定 提供1.5 V,1.8 V,1.9V,2.5 V,2.8 V,2.85 V,3.0 V,3.3 V,3.5V,5.0 V和可调输出电压 应用 终端产品 汽车音响和信息娱乐 汽车配件 汽车仪表盘 汽车相机显示器 汽车仪表板电子产品 汽车 工业 电路图、引脚图和封装图...
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MC78M 线性稳压器 500 mA 5至24 V 高PSRR 正极

0 / MC78M00A正线性稳压器与流行的MC7800系列器件完全相同,只是它的输出电流仅为输出电流的一半。与MC7800器件一样,MC78M00三端稳压器用于本地卡上电压调节。 内部通道晶体管的内部限流,热关断电路和安全区域补偿相结合,使这些线性稳压器在大多数工作条件下都非常坚固。具有足够散热的最大输出电流为500 mA。 规格:
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MC78M 线性稳压器 500 mA 5至24 V 高PSRR 正极

LV5749NV 降压稳压器 开关 1通道

NV是单通道降压型开关稳压器。 特性 与负载无关的软启动电路 ON / OFF功能 集成脉冲脉冲过流保护 电流模式控制 电路图、引脚图和封装图
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NCP5269 具有2位VID的系统代理控制器

9 电路图、引脚图和封装图
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NCP1581 用于跟踪应用的同步降压控制器 高频PWM

1同步降压控制器IC旨在为14引脚SOIC中的板载DC-DC应用提供简单的同步降压稳压器。 NCP1581专为跟踪应用而设计,提供轨道输入。 NCP1581采用固定内部400 kHz开关频率工作,允许使用小型外部元件。该器件具有由外部电容设置的可编程软启动,欠压锁定和输出欠压检测,可在检测到输出短路时锁定器件。电路图、引脚图和封装图
发表于 07-29 16:02 318次 阅读