数字电容隔离器的内部结构及工作原理解析

工业和医疗利用中机械和设备设规规定的愈加严格迫使我们必须要在险些所有类型的电子系统或 电路 中实施电隔离。 只管 数字隔离器 已经代替了模拟 隔离器 ,从而简化了隔离 接口...


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工业和医疗利用中机械和设备设规规定的愈加严格迫使我们必须要在险些所有类型的电子系统或电路中实施电隔离。

只管数字隔离器已经代替了模拟隔离器,从而简化了隔离接口的设计,但广大年夜设计职员现在面临的寻衅这天益增长的高系统机能需求。这里所说的高机能不仅仅指高数据速度和/或低功耗,而且还指高靠得住性。一方面,在恶劣的工业情况中经由过程稳健的数据传输来满意这一需求。另一方面,分外是对隔离器而言,经由过程长应用寿命来办理这个问题。

近来在芯片设计和制造方面的技巧进步已经成绩了第二代数字电容隔离器,其高机能给低功耗和高靠得住性定义了新的标准。本文将先容其功能道理和内部布局,并评论争论其电流耗损和估计寿命。

功能道理

图 1 显示了一款数字电容隔离器 (DCI) 的内部布局图。该隔离器输入分为两个差分旌旗灯号路径:一条为高数据速度通道(称作 AC-通道),另一条为低数据速度通道(称作 DC-通道)。AC-通道传输介于 100 kbps 和 100 Mbps 之间的旌旗灯号,而DC-通道则涵盖了从 100 kbps 到 DC 的范围。

图 1 数字电容隔离器的内部布局图

高速旌旗灯号由 AC 通道来处置惩罚,旌旗灯号在通道中首先从单端模式转换为差分模式,然后被隔离层的电容-电阻收集差分为许多瞬态。后面的对照器再将这些瞬态转换为差分脉冲,从而设置和重置一个“或非”门触发器。相称于原始输入旌旗灯号的触发器输出馈至鉴定逻辑 (DCL) 和输出多路复用器。DCL 包括一个看门狗准时器,该准时器用于丈量旌旗灯号转换之间的持续光阴。假如两个继续转换之间的持续光阴越过准时窗口(如低频旌旗灯号的环境下),则 DCL 则唆使输出多路复用器从 AC-通道切换到 DC-通道。

因为低频旌旗灯号要求大年夜容量电容器,而这种电容器使片上集成变得很艰苦,是以DC-通道的输入要有脉宽调制器 (PWM)。该调制器使用一个内部振荡器 (OSC) 的高频载波对低频输入旌旗灯号进行调制。在 AC-通道中对调制后旌旗灯号的处置惩罚历程与高频旌旗灯号相同。然而,在向输出多路复用器提交该旌旗灯号曩昔,需经由过程一个终极低通滤波器 (LPF) 滤除高频 PWM 载波,以恢回覆再肇始、低频输入旌旗灯号。

比拟其他隔离器技巧,电容隔离器的一个主要优点是其 DC-通道在上电和旌旗灯号损掉 (LOS) 事故期距离离器输出端拥有精确的输入极性。缺少这些特点的其他隔离器技巧平日会在上电时代呈现输出突波,或者在旌旗灯号损掉曩昔不停维持在着末一个输入极性。

内部布局

图 2 显示了一个单通道、电容隔离器的内部布局简化布局图。从内部来看,隔离器由两颗芯片组成:一个发送器和一个接管机芯片。实际隔离层由接管机芯片上的高压电容器来供给。

因为 AC-通道和 DC-通道均应用一种差分旌旗灯号技巧在数据传输时代供给高噪声抗扰度,是以必必要有 4 个隔离电容器来形成一条单隔离数据通道。

图 2 单通道电容隔离器的内部布局

图 2 的右侧显示了一个高压电容器的横截面。从发送器芯片出来的接合线连接到接管机端电容器铝顶板。底板(也为铝质)连接到接管机逻辑。板之间是夹层电介质,其为 16-μm 厚的二氧化硅 (SiO2) 层。

应用 SiO2 作为夹层电介质有两个好处:一、它是具有最小老化效应且最稳定的隔离材料之一,是以电容隔离器的估计寿命远远跨越其他技巧;二、应用标准半导系统体例造技巧就可以处置惩罚 SiO2,从而大年夜大年夜低落了临盆资源。

电容隔离的别的一个优点是每个电容 123 毫微微法拉 (123 x 10 -15 F) 的超低容量,从而容许极高的数据速度传输并实现多通道隔离器的微电容几何尺寸。

电流耗损

隔离器电流耗损高度依附于内部布局。比拟双通道隔离器,电感型隔离器彷佛具有最低的 DC 电源电流(请拜见图 3)。这是由于该器件只包孕 2 条旌旗灯号通道。然则,电容隔离器包孕 4 条通道:2 条 AC 通道和 2 条 DC 通道。是以,其 DC 的电流耗损更高,而且其靠得住性也更高,由于在输入旌旗灯号损掉的环境下其可确保精确的输出极性。

系统余暇时就会呈现 DC 电流。幸运的是,工业数据获取系统、PLC 和数字模拟 I/O 模块并非针对系统余暇而设计,其目的是将数据从传感器传输到节制单元,并从节制单元传输到传动器。这些事情的完成必须是快速、靠得住和持续的。

一样平常而言,双通道隔离器用于隔离式 CANRS-485 总线节点,此中只有 2 条数据线路(发送和接管)要求隔离。例如,RS-485 收发器必须能够在一些极度共模状态下供给高达 ± 70mA 的驱动力才能达到标准。这样,纵然在低数据速度前提下,DC 电流之间的差异也可以轻忽不计。

图 3 电容和电感隔离器的电流耗损(左图为双通 道隔离器,右图为四通道隔离器)

比拟四通道隔离器,图示结果有所改良。通道数为原本的两倍,是以电感隔离器的电流耗损也增添了一倍,然而比拟双通道隔离器,四通道电容隔离器的通道数仅增添了一条。呈现这种结果的缘故原由是,仅应用了一条 DC-通道,其在四条 AC-通道之间获得多路传输(请拜见图 4)。DC 通道仍旧拥有高靠得住性的同时,总电流耗损保持在最低水平,从而比双通道版本仅有最低限度的增添。

图 4 双通道及四通道电容隔离器的通道布局

四通道隔离器用于隔离包括数据和节制线路的接口(例如:SPI),其数据速度一样平常可达 20 到 80 Mbps。电感和电容隔离器之间的电流耗损在 30 Mbps 下时已经有 10mA 以上的区别,在如 100 Mbps 等更高数据速度下时这一区别可高达 40mA。

是以,它着实并非紧张的 DC 电流,而是数据速度的电流增添,即斜率 Δi/Δf。

估计应用寿命

隔离器的估计应用寿命由经时击穿 (TDDB) 抉择,其为一种二氧化硅等电介质材料的紧张故障模式。因为制造带来的杂质和不完备性缺陷,电介质会随光阴而退化。这种退化会因为电介质上施加的电场及其温度的上升而加快。

估计应用寿命切实着实定是基于 TDDB E 模型,其为一种广受认可的电介质击穿模型。

实际上,周围温度保持在 150oC 时,TDDB 由隔离器的施加应力电压抉择(请拜见图 5)。测试之初便激活一个计时器,其在隔离器电流越过 1 mA 时竣事,注解电介质击穿。记录每个测试电压的故障光阴,并根据理论 E 模型曲线进行绘图。

图 5 TDDB 测试措施

图 6 所示的 TDDB 曲线注解,电容隔离器的测试数据(光阴为 5 年)完全匹配 E模型猜测,从而得出在 400 Vrms (560 Vpk) 事情电压下 28 年的估计应用寿命,而相同电压下电感隔离器的估计应用寿命则小于 10 年。TDDB 曲线还注解,在 700 V 和 2.5 kV 之间电容隔离器的寿命比电感隔离器长约 10 倍。

图 6 电容和电感隔离器的估计应用寿命

若要达到 10 到 30 年的工业估计应用寿命,应用 SiO2 电介质的电容隔离器是实现这个目标独一可行的办理规划。

结论

因其高靠得住性、低电流耗损、高带宽和长应用寿命,数字电容隔离用具有优良的机能。TI 供给各类各样的数字电容隔离器,包括隔离总线收发器和新一代 ISO74xx 电容隔离器。

责任编辑;zl

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