你的位置:首頁 > EMC安規(guī) > 正文
新型數(shù)字電容隔離器提升了高性能標(biāo)準(zhǔn)
發(fā)布時(shí)間:2020-01-06 來源:Thomas Kugelstadt 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中機(jī)器和設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)定的愈加嚴(yán)格迫使我們必須要在幾乎所有類型的電子系統(tǒng)或電路中實(shí)施電隔離。
盡管數(shù)字隔離器已經(jīng)代替了模擬隔離器,從而簡化了隔離接口的設(shè)計(jì),但廣大設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)是日益增長的高系統(tǒng)性能需求。這里所說的高性能不僅僅指高數(shù)據(jù)速率和/或低功耗,而且還指高可靠性。一方面,在惡劣的工業(yè)環(huán)境中通過穩(wěn)健的數(shù)據(jù)傳輸來滿足這一需求。另一方面,特別是對隔離器而言,通過長使用壽命來解決這個(gè)問題。
最近在芯片設(shè)計(jì)和制造方面的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)成就了第二代數(shù)字電容隔離器,其高性能給低功耗和高可靠性定義了新的標(biāo)準(zhǔn)。本文將介紹其功能原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu),并討論其電流消耗和預(yù)計(jì)壽命。
功能原理
圖 1 顯示了一款數(shù)字電容隔離器 (DCI) 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。該隔離器輸入分為兩個(gè)差分信號路徑:一條為高數(shù)據(jù)速率通道(稱作 AC-通道),另一條為低數(shù)據(jù)速率通道(稱作 DC-通道)。AC-通道傳輸介于 100 kbps 和 100 Mbps 之間的信號,而DC-通道則涵蓋了從 100 kbps 到 DC 的范圍。
圖 1 數(shù)字電容隔離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
高速信號由 AC 通道來處理,信號在通道中首先從單端模式轉(zhuǎn)換為差分模式,然后被隔離層的電容-電阻網(wǎng)絡(luò)差分為許多瞬態(tài)。后面的比較器再將這些瞬態(tài)轉(zhuǎn)換為差分脈沖,從而設(shè)置和重置一個(gè)“或非”門觸發(fā)器。相當(dāng)于原始輸入信號的觸發(fā)器輸出饋至判定邏輯 (DCL) 和輸出多路復(fù)用器。DCL 包括一個(gè)看門狗定時(shí)器,該定時(shí)器用于測量信號轉(zhuǎn)換之間的持續(xù)時(shí)間。如果兩個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)換之間的持續(xù)時(shí)間超出定時(shí)窗口(如低頻信號的情況下),則 DCL 則指示輸出多路復(fù)用器從 AC-通道切換到 DC-通道。
由于低頻信號要求大容量電容器,而這種電容器使片上集成變得很困難,因此DC-通道的輸入要有脈寬調(diào)制器 (PWM)。該調(diào)制器利用一個(gè)內(nèi)部振蕩器 (OSC) 的高頻載波對低頻輸入信號進(jìn)行調(diào)制。在 AC-通道中對調(diào)制后信號的處理過程與高頻信號相同。然而,在向輸出多路復(fù)用器提交該信號以前,需通過一個(gè)最終低通濾波器 (LPF) 濾除高頻 PWM 載波,以恢復(fù)原始、低頻輸入信號。
相比其他隔離器技術(shù),電容隔離器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是其 DC-通道在上電和信號丟失 (LOS) 事件期間隔離器輸出端擁有正確的輸入極性。缺少這些特性的其他隔離器技術(shù)通常會(huì)在上電期間出現(xiàn)輸出突波,或者在信號丟失以前一直保持在最后一個(gè)輸入極性。
內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖 2 顯示了一個(gè)單通道、電容隔離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化結(jié)構(gòu)圖。從內(nèi)部來看,隔離器由兩顆芯片組成:一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收機(jī)芯片。實(shí)際隔離層由接收機(jī)芯片上的高壓電容器來提供。
由于 AC-通道和 DC-通道均使用一種差分信號技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸期間提供高噪聲抗擾度,因此必需要有 4 個(gè)隔離電容器來形成一條單隔離數(shù)據(jù)通道。
圖 2 單通道電容隔離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖 2 的右側(cè)顯示了一個(gè)高壓電容器的橫截面。從發(fā)送器芯片出來的接合線連接到接收機(jī)端電容器鋁頂板。底板(也為鋁質(zhì))連接到接收機(jī)邏輯。板之間是夾層電介質(zhì),其為 16-μm 厚的二氧化硅 (SiO2) 層。
使用 SiO2 作為夾層電介質(zhì)有兩個(gè)好處:一、它是具有最小老化效應(yīng)且最穩(wěn)定的隔離材料之一,因此電容隔離器的預(yù)計(jì)壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他技術(shù);二、使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造技術(shù)就可以處理 SiO2,從而大大降低了生產(chǎn)成本。
電容隔離的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)電容 123 毫微微法拉 (123 x 10 -15 F) 的超低容量,從而允許極高的數(shù)據(jù)速率傳輸并實(shí)現(xiàn)多通道隔離器的微電容幾何尺寸。
電流消耗
隔離器電流消耗高度依賴于內(nèi)部結(jié)構(gòu)。相比雙通道隔離器,電感型隔離器似乎具有最低的 DC 電源電流(請參見圖 3)。這是因?yàn)樵撈骷话?2 條信號通道。但是,電容隔離器包含 4 條通道:2 條 AC 通道和 2 條 DC 通道。因此,其 DC 的電流消耗更高,而且其可靠性也更高,因?yàn)樵谳斎胄盘杹G失的情況下其可確保正確的輸出極性。
系統(tǒng)空閑時(shí)就會(huì)出現(xiàn) DC 電流。幸運(yùn)的是,工業(yè)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、PLC 和數(shù)字模擬 I/O 模塊并非針對系統(tǒng)空閑而設(shè)計(jì),其目的是將數(shù)據(jù)從傳感器傳輸?shù)娇刂茊卧目刂茊卧獋鬏數(shù)絺鲃?dòng)器。這些工作的完成必須是快速、可靠和持續(xù)的。
一般而言,雙通道隔離器用于隔離式 CAN 和 RS-485 總線節(jié)點(diǎn),其中只有 2 條數(shù)據(jù)線路(發(fā)送和接收)要求隔離。例如,RS-485 收發(fā)器必須能夠在一些極端共模狀態(tài)下提供高達(dá) ± 70mA 的驅(qū)動(dòng)力才能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。這樣,即使在低數(shù)據(jù)速率條件下,DC 電流之間的差異也可以忽略不計(jì)。
圖 3 電容和電感隔離器的電流消耗(左圖為雙通道隔離器,右圖為四通道隔離器)
相比四通道隔離器,圖示結(jié)果有所改善。通道數(shù)為原來的兩倍,因此電感隔離器的電流消耗也增加了一倍,然而相比雙通道隔離器,四通道電容隔離器的通道數(shù)僅增加了一條。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因是,僅使用了一條 DC-通道,其在四條 AC-通道之間得到多路傳輸(請參見圖 4)。DC 通道仍然擁有高可靠性的同時(shí),總電流消耗維持在最低水平,從而比雙通道版本僅有最低限度的增加。
圖 4 雙通道及四通道電容隔離器的通道結(jié)構(gòu)
四通道隔離器用于隔離包括數(shù)據(jù)和控制線路的接口(例如:SPI),其數(shù)據(jù)速率一般可達(dá) 20 到 80 Mbps。電感和電容隔離器之間的電流消耗在 30 Mbps 下時(shí)已經(jīng)有 10mA 以上的差別,在如 100 Mbps 等更高數(shù)據(jù)速率下時(shí)這一差別可高達(dá) 40mA。
因此,它其實(shí)并非重要的 DC 電流,而是數(shù)據(jù)速率的電流增加,即斜率 Δi/Δf。
預(yù)計(jì)使用壽命
隔離器的預(yù)計(jì)使用壽命由經(jīng)時(shí)擊穿 (TDDB) 決定,其為一種二氧化硅等電介質(zhì)材料的重要故障模式。由于制造帶來的雜質(zhì)和不完整性缺陷,電介質(zhì)會(huì)隨時(shí)間而退化。這種退化會(huì)由于電介質(zhì)上施加的電場及其溫度的上升而加快。
預(yù)計(jì)使用壽命的確定是基于 TDDB E 模型,其為一種廣受認(rèn)可的電介質(zhì)擊穿模型。
實(shí)際上,周圍溫度維持在 150oC 時(shí),TDDB 由隔離器的施加應(yīng)力電壓決定(請參見圖 5)。測試之初便激活一個(gè)計(jì)時(shí)器,其在隔離器電流超出 1 mA 時(shí)停止,表明電介質(zhì)擊穿。記錄每個(gè)測試電壓的故障時(shí)間,并根據(jù)理論 E 模型曲線進(jìn)行繪圖。
圖 5 TDDB 測試方法
圖 6 所示的 TDDB 曲線表明,電容隔離器的測試數(shù)據(jù)(時(shí)間為 5 年)完全匹配 E模型預(yù)測,從而得出在 400 Vrms (560 Vpk) 工作電壓下 28 年的預(yù)計(jì)使用壽命,而相同電壓下電感隔離器的預(yù)計(jì)使用壽命則小于 10 年。TDDB 曲線還表明,在 700 V 和 2.5 kV 之間電容隔離器的壽命比電感隔離器長約 10 倍。
圖 6 電容和電感隔離器的預(yù)計(jì)使用壽命
若要達(dá)到 10 到 30 年的工業(yè)預(yù)計(jì)使用壽命,使用 SiO2 電介質(zhì)的電容隔離器是實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)唯一可行的解決方案。
結(jié)論
因其高可靠性、低電流消耗、高帶寬和長使用壽命,數(shù)字電容隔離器具有優(yōu)異的性能。TI 提供各種各樣的數(shù)字電容隔離器,包括隔離總線收發(fā)器和新一代 ISO74xx 電容隔離器。
推薦閱讀:
特別推薦
- 授權(quán)代理商貿(mào)澤電子供應(yīng)Same Sky多樣化電子元器件
- 使用合適的窗口電壓監(jiān)控器優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- ADI電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制解決方案 驅(qū)動(dòng)智能運(yùn)動(dòng)新時(shí)代
- 倍福推出采用 TwinSAFE SC 技術(shù)的 EtherCAT 端子模塊 EL3453-0090
- TDK推出新的X系列環(huán)保型SMD壓敏電阻
- Vishay 推出新款采用0102、0204和 0207封裝的精密薄膜MELF電阻
- Microchip推出新款交鑰匙電容式觸摸控制器產(chǎn)品 MTCH2120
技術(shù)文章更多>>
- 精準(zhǔn)監(jiān)測電離分?jǐn)?shù)與沉積通量,助力PVD/IPVD工藝與涂層質(zhì)量雙重提升
- ADC 總諧波失真
- 貿(mào)澤電子持續(xù)擴(kuò)充工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品陣容
- 更高精度、更低噪音 GMCC美芝電子膨脹閥以創(chuàng)新?lián)屨夹袠I(yè)“制高點(diǎn)”
- 本立租完成近億元估值Pre-A輪融資,打造AI賦能的租賃服務(wù)平臺
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
晶體諧振器
晶體振蕩器
晶閘管
精密電阻
精密工具
景佑能源
聚合物電容
君耀電子
開發(fā)工具
開關(guān)
開關(guān)電源
開關(guān)電源電路
開關(guān)二極管
開關(guān)三極管
科通
可變電容
可調(diào)電感
可控硅
空心線圈
控制變壓器
控制模塊
藍(lán)牙
藍(lán)牙4.0
藍(lán)牙模塊
浪涌保護(hù)器
雷度電子
鋰電池
利爾達(dá)
連接器
流量單位