電磁隔離技術(shù)與控制需求同步發(fā)展

在汽車、工業(yè)和綠色能源領(lǐng)域的許多系統(tǒng)中，保護系統(tǒng)免受電壓浪涌和噪聲的影響至關(guān)重要。

作者：Joachim Hausmann，東芝電子歐洲有限公司

電子系統(tǒng)設(shè)計中存在兩種不同的趨勢，二者均支持電機的電子系統(tǒng)。一方面是向千伏級別發(fā)展的發(fā)電和電氣分配子系統(tǒng)。另一方面是高速MCU，能夠?qū)崿F(xiàn)先進算法以優(yōu)化系統(tǒng)性能，并在接近1V的電壓下運行。

在汽車、工業(yè)和綠色能源領(lǐng)域的各種系統(tǒng)中，設(shè)計人員正在尋求利用寬帶隙晶體管技術(shù)。這種技術(shù)不僅能夠支持更高頻率的操作，還能夠支持更高電壓的作業(yè)。高頻操作使得電路密度得以提高，但傳統(tǒng)的體硅工藝技術(shù)由于開關(guān)損耗的限制而難以實現(xiàn)。相比之下，寬帶隙器件則不會遭受相同的損耗影響。

寬帶隙技術(shù)也更加穩(wěn)健，能夠處理比許多硅器件更高的供電電壓。這意味著能夠以較低成本實現(xiàn)高功率密度。由此可以制造更小的變頻器，并且在汽車系統(tǒng)中，充電器可以跨多個電芯傳遞更多能量來支持快速充電協(xié)議。

更高頻率的運行意味著使用控制算法生成脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號，可快速響應(yīng)傳感器信號，并確保功率晶體管開關(guān)操作正確同步。此外，更復(fù)雜的控制算法還可優(yōu)化電機和變頻器的性能以提高效率。

低電壓器件及其周圍的支持器件需要受到保護，以防止來自高電壓的浪涌和尖峰。如果系統(tǒng)的不同部分之間沒有隔離，電氣噪聲和尖峰可能會從高電壓子系統(tǒng)傳播到低電壓電路。在同一塊PCB板上或在同一系統(tǒng)內(nèi)存在高電壓和高電流電路的話可能會導(dǎo)致許多問題，包括瞬態(tài)問題，如數(shù)據(jù)損壞、安全隱患以及對這些設(shè)備內(nèi)部電路的永久性損壞。

高電流尖峰可能會損壞半導(dǎo)體元件，并可能導(dǎo)致閂鎖條件，從而導(dǎo)致系統(tǒng)整體故障。如果在設(shè)計時未考慮組件承受這些應(yīng)力的能力，那么由此產(chǎn)生的熱量可能引起火災(zāi)。這些尖峰可能導(dǎo)致絕緣破壞，從而使I/O線纜攜帶危險電壓和電流水平，這可能使操作人員和用戶面臨電擊風(fēng)險。即使在相對較低的電流水平下，反復(fù)受到電壓浪涌也可能導(dǎo)致隔離屏障材料的逐漸破壞，從而降低系統(tǒng)的可靠性。

此外，電氣噪聲也可能成為問題。此類噪聲會干擾敏感混合信號組件的輸入，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器，導(dǎo)致錯誤讀數(shù)。更強的脈沖可能會導(dǎo)致從存儲器和其他數(shù)字外圍設(shè)備傳輸?shù)街?a target="_blank">處理器時發(fā)生位翻轉(zhuǎn)。

圖1：PLC中的隔離位置

隨著設(shè)備中需要保護的位置持續(xù)增加。除了需要內(nèi)部I/O外，通常子系統(tǒng)還將通過網(wǎng)絡(luò)彼此通信，以進一步提高效率并更好地對突然變化的條件做出協(xié)調(diào)響應(yīng)。這表明了對線纜網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)背板進行高速通信的需求不斷增長。特別是在許多工業(yè)系統(tǒng)的惡劣電氣環(huán)境中，這些連接也需要保護以免受高壓尖峰和其他電磁干擾（EMI）的損害。

典型可編程邏輯控制器（PLC）的架構(gòu)提供了許多需要保護的不同信號示例。在許多PLC中，系統(tǒng)功能被劃分為幾個相互協(xié)作的模塊，這些模塊通過共同的背板連接。背板通常提供低壓電源軌，其工作電壓可達24V，以及供應(yīng)給控制模塊的5V控制路徑，并包含電源模塊的供電。

電源模塊通常分為低電壓和高電壓部分。需要保護用于控制功率晶體管開關(guān)的PWM信號線。為了避免擊穿等類似開關(guān)問題，可能需要多個PWM信號，這會增加并行控制信號的數(shù)量。通過在同一隔離器件中支持反向信號，錯誤和傳感器信號便可以從電源級傳遞到控制器。

PLC通常會包含用于外部傳感器信號的模擬和數(shù)字I/O模塊。需要跨這些不同信號保護系統(tǒng)，并且以最少的占板空間支持高傳輸速率。網(wǎng)絡(luò)模塊可能需要以高達100Mb/s的速率傳輸數(shù)據(jù)，并且要加以保護，免受高壓損壞和電氣噪聲影響。

在跨電壓域傳播浪涌的保護中，電氣隔離的關(guān)鍵在于在高電壓和低電壓域之間斷開電路路徑，以防止電流直接從一側(cè)傳輸?shù)搅硪粋?cè)。

光隔離器

多年來，光學(xué)隔離一直被用于分離兩個子系統(tǒng)之間的電路路徑。這是通過使用LED將傳入的電信號轉(zhuǎn)換為光子來實現(xiàn)的。一個非導(dǎo)電的透明隔離物將光傳輸?shù)浇邮斩松系?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/2800/" target="_blank">光電探測器。

圖2：光隔離器

盡管當(dāng)前市面上的光耦合器支持緊湊的封裝，但當(dāng)需要隔離多個通道時，解決方案的整體尺寸仍可能構(gòu)成問題。由于難以將多個通道集成到單個封裝中并避免通道間的交叉干擾，因此它們通常采用離散型架構(gòu)。這在需要并行I/O隔離的情況下可能造成問題。例如，對于串行外圍設(shè)備互連（SPI）總線的保護，可能需要四個單獨的器件。光耦合器的第二個問題在于它們可以通過的最大數(shù)據(jù)速率受到LED和光電探測器響應(yīng)時間的限制。實際上，最大可實現(xiàn)的數(shù)字帶寬約為50Mb/s。此外，系統(tǒng)的長期可靠性也是一個問題。

電容隔離

電容隔離是提供用于并行I/O的集成設(shè)備的選項的技術(shù)之一，盡管它傾向于適用于需要較低隔離水平的場景。這種形式的隔離耦合器使用電容器的充放電周期來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。由于電容元件之間使用絕緣材料的阻隔，因此不存在直流電流流動。盡管在應(yīng)用需要大電容時可能會受到充放電速率的限制，但該技術(shù)的優(yōu)勢依然可以支持高數(shù)據(jù)速率。

圖3：電容隔離

隔離通常受限于位于電容元件之間的絕緣層的擊穿電壓。對于小型設(shè)備，這可能不足以阻止大的高壓尖峰。

電磁隔離

電磁隔離通過利用一次繞組中電流產(chǎn)生的磁場來感應(yīng)二次繞組中的電流。當(dāng)實施隔離解決方案時，一個線圈充當(dāng)信號發(fā)射器，另一個充當(dāng)接收器。磁感應(yīng)隔離應(yīng)用可在工作電壓非常高的系統(tǒng)中運行。因此，磁耦合的使用提供了高保護性，長期運行壽命的組合，并且能夠以比光耦合器更高的速度工作。

圖4：磁耦合為電磁隔離解決方案奠定了基礎(chǔ)

磁耦合并不一定粗大笨重。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步，將電感器集成到小型芯片級產(chǎn)品中已成為可能。因此可以在單個封裝內(nèi)提供多個并行操作的通道，從而進一步節(jié)省空間。例如，東芝的DCL54x01系列由兩個共同封裝的芯片組成。一個是輸入信號的調(diào)制器，另一個是解調(diào)器，用于處理接收信號。使用兩個隔離芯片便可支持雙重絕緣結(jié)構(gòu)，提供最大限度的保護。在一側(cè)的絕緣隔離發(fā)生損壞時，這種設(shè)計能夠防止兩側(cè)之間發(fā)生短路。這種架構(gòu)確保了高達12.8kV的電壓浪涌無法穿過隔離屏障到達另一側(cè)，并且組件滿足VDE V 0884-11標(biāo)準的要求。

基于使用標(biāo)準的時間依賴介質(zhì)擊穿（TDDB）計量測試，1.2kVrms脈沖顯示該結(jié)構(gòu)設(shè)計提供的預(yù)期絕緣壽命長達70年。

圖5：開關(guān)鍵控

開關(guān)鍵控的調(diào)制方案是一種即使在高速運行下也可以提供噪音保護技術(shù)。這種調(diào)制方案使用載波信號的存在和缺失來分別表示高和低邏輯狀態(tài)，是一種提供了高效可靠的方法用于將PWM信號從微處理器傳輸?shù)娇刂芇CB高壓側(cè)電機或變頻器的柵極驅(qū)動器。在DCL54x01中，該方法提供了小于3ns的脈寬失真，確保了PWM和其他高速邏輯級信號的準確傳輸。該方法還支持以150Mb/s或更高的速率傳輸數(shù)據(jù)，并具有高抗噪聲干擾性，包括對共模瞬態(tài)的抗性。

共模噪聲是一種電流同時在信號和地線上流動的噪聲類型，通常發(fā)生于高壓系統(tǒng)中。由于移位會影響信號和地線，并且可能通過隔離障礙物進行耦合，特別是在電容隔離產(chǎn)品的情況下，導(dǎo)致對其進行隔離的實現(xiàn)較為困難。如果耦合到接收端的電流達到一定水平，它可能會導(dǎo)致隔離界面本身以及系統(tǒng)的故障。高共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）對于可靠操作至關(guān)重要。這一特性在磁隔離產(chǎn)品中得到了很好的支持。

由于隔離器可以利用雙絕緣結(jié)構(gòu)來提供對高壓浪涌的保護，因此在小型封裝中能夠輕松支持多通道作業(yè)。

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