數(shù)字隔離器在工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)
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隔離器技術(shù)傳輸速率比較
隔離不得給整體系統(tǒng)性能帶來(lái)任何顯著的時(shí)序不確定性或時(shí)序誤差。標(biāo)準(zhǔn)光耦合器的傳播延遲為微秒級(jí)，可能因器件而異，因溫度和壽命而異。光耦合器技術(shù)在時(shí)序性能方面存在一些根本的不足，而現(xiàn)代數(shù)字隔離器采用完全不同的運(yùn)算原則，其速率也更高。
可以在有所折衷的情況下增加光耦合器的速率。光耦合器的工作原理是，將來(lái)自LED的光發(fā)送至一種光學(xué)透明的隔離材料，并用另一端的光電二極管檢測(cè)光。光耦合器的速度與光電二極管檢波器的速率以及為其二極管電容充電的時(shí)間直接相關(guān)。減少傳播延遲的一種方法是增加發(fā)射的光量。通過(guò)提高LED電流，可以使延遲減少2或3倍，但其代價(jià)是設(shè)備功耗會(huì)增加，每個(gè)數(shù)據(jù)通道最高將達(dá)50 mW。
提高速度的另一種辦法是通過(guò)使用更薄的隔離柵來(lái)減少光傳輸損耗。為了維持相同的隔離能力，需要增加一層材料，但代價(jià)是成本也將增高。更快的光耦合器比標(biāo)準(zhǔn)的低成本光耦合器要貴許多倍。
相反，數(shù)字隔離器則是采用標(biāo)準(zhǔn)的高速CMOS工藝，并搭載隔離式片內(nèi)微變壓器。其傳輸速率自然比光耦合器快很多。較高的速度是電路和設(shè)計(jì)與生俱來(lái)的特點(diǎn)，不需要更復(fù)雜、成本更高的隔離材料也可實(shí)現(xiàn)更高的速度。變壓器可以以最高150 Mbps的傳輸速率傳遞數(shù)據(jù)，傳播延遲低至32 ns，功耗<5 mW，開關(guān)速率為25 kHz或以上。速度更快的另一個(gè)好處是，通道間的匹配優(yōu)于5 ns，比標(biāo)準(zhǔn)光耦合器高出了一個(gè)數(shù)量級(jí)，僅以大約一半的單位通道成本即可實(shí)現(xiàn)比光耦合器快3至4倍的卓越性能。
隔離的抗噪性
在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，隔離還提供了一個(gè)分離噪聲源的機(jī)會(huì)，方法是以電流方式將噪聲從功率開關(guān)電路和控制電路之中隔離開來(lái)。以下各項(xiàng)之間有安全隔離需求：高壓總線、線路電壓和用戶界面，以同時(shí)保護(hù)人、保護(hù)其他設(shè)備。還需要在功能上使高端開關(guān)和低端開關(guān)與控制電路相隔離。隔離元件必須能提供必要的隔離，同時(shí)也需對(duì)嘈雜環(huán)境不敏感。
衡量隔離器分離地域之間高速噪聲的能力的指標(biāo)一般稱為共模瞬變抗擾度(CMTI)。CMTI旨在衡量一個(gè)隔離器在隔離器數(shù)據(jù)通信不被噪聲打斷的情況下，對(duì)隔離柵中的電壓噪聲的抑制能力。其單位是kV/μs瞬變。
圖2. 光耦合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
圖3. 基于變壓器的數(shù)字隔離器的結(jié)構(gòu)。
電壓瞬變?cè)肼暱缭礁綦x柵的路徑一般是寄生電容跨過(guò)隔離器中的隔離柵。光耦合器的CMTI一般較差，為15 kV/μs。一些現(xiàn)代數(shù)字隔離器采用電容耦合數(shù)據(jù)隔離技術(shù)，其信號(hào)和共模噪聲使用同一路徑?；谧儔浩鞯母綦x器(如ADI的iCoupler數(shù)字隔離器)的信號(hào)路徑不同于噪聲路徑，其CMTI的值一般為50 kV/μs或以上。
隔離材料和可靠性
數(shù)字隔離器采用晶圓CMOS工藝制造，僅限于常用的晶圓材料。非標(biāo)準(zhǔn)材料會(huì)使生產(chǎn)復(fù)雜化，導(dǎo)致可制造性變差且成本提高。常用的絕緣材料包括聚合物(如聚酰亞胺PI，它可以旋涂成薄膜)和二氧化硅(SiO2)。二者均具有眾所周知的絕緣特性，并且已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝中使用多年。聚合物是許多光耦合器的基礎(chǔ)，作為高壓絕緣體具有悠久的歷史。
評(píng)論