可靠的电流隔离,简化

出处:维库电子市场网 发布于:2023-12-08 16:42:46

  在工业应用中通过电缆传输数据面临着高瞬态电压环境和高 EMC 干扰的挑战。紧凑型数字隔离器可以成为一种解决方案。为了更好地了解情况,使用了具有各种功能单元的工业内部物流系统。
  工业环境,例如仓库、灌装厂、轧机或传送带系统,都有一个共同点:它们的特点是高度自动化。温度、电压、速度和其他物理变量由“现场”传感器测量并转发到中心位置。在此,启动一些操作,例如降低电机速度以降低过高的温度读数。由于这些系统占用的空间很大,传感器和中央控制单元之间可能有数十米的电缆。

  图 1 提供了工业系统的示例(按比例绘制)。无干扰数据通信和人身安全是此类工业环境中电子产品面临的两大挑战。强电磁场、浪涌电压、瞬态电压和高 EMC 噪声是司空见惯的。例如,如果通信线路不利地靠近变频器的控制线,则脉冲将电容性耦合,并且通信线路中的信号将随着变频器的脉冲模式而振荡。

  典型的工业应用——仓储物流。
  图1:典型行业应用——仓储物流
  这些干扰很快就会达到导致严重故障甚至危及人身安全的程度。
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  例如,当使用热电偶测量电机温度时,会产生毫伏范围内的电压。如果这些电压现在通过几米长的电缆传输到涉及不同接地电位的中央控制单元,则测量信号将因电位差而失真。
  隔离器的功能
  将所描述的现象进行聚类,出现以下四个挑战:
  危险电压和用户之间的安全屏障
  空间电路之间的接地环路分离
  共模干扰化
  无干扰的数据传输

  图2以图形方式说明了数据传输系统的情况。为了满足阻挡用户危险电压的要求,同时仍然保证无干扰的数据传输,必须使用电流隔离来将各区域进行电气隔离(即它们的电位彼此分开),以便它们可以单独工作,从而无需干涉。

  隔离系统的基本概念,用于分离不同的电位。
  图 2:隔离不同电位的隔离系统的基本概念
  一般来说,可以使用三种类型的隔离技术将系统彼此隔离:
  光学的
  电感式
  电容式
  光耦合器由初级侧的发射 LED 和次级侧的光电晶体管组成。两个单元通过光导介质彼此电隔离。
  电感隔离器由彼此间隔规定距离的初级和次级变压器绕组组成。两个绕组通过绝缘体(例如聚酰亚胺)彼此电隔离。
  基于电容效应的数字隔离器由两个金属板组成,将初级与次级分开。两侧通过绝缘材料(例如聚酰亚胺)彼此电隔离。
  提到的所有三种类型的隔离器都满足电流隔离的基本要求。然而,当我们考虑工业应用的挑战(例如恶劣的环境条件、EMC 干扰和瞬态电压以及数据速率)时,三种技术的电气技术差异变得更加显着。
  由于其传输技术、LED 发射和光电晶体管接收,光耦合器本身的数据传输速率有限。通常,标准光耦合器的数据速率可以达到每秒几十千位。数据传输也非常依赖于温度,因为 CTR 会随着温度的变化而变化。
  根据绕组的实现方式,电感隔离器可能对磁场敏感。然后,它们就像天线一样,因此可以将干扰耦合到所需信号中。此外,初级绕组和次级绕组之间的绝缘材料在暴露于高湿度时往往会保留水分。
  基于电容效应的数字隔离器,例如 Würth Elektronik 的 CDIS 和 CDIP 系列数字隔离器,本质上对磁场不太敏感,因为它们使用电场进行传输。如图 3 所示的结构可实现高达 150 Mbps 的数据传输速率,因为电容器是使用 CMOS 工艺构建的。绝缘层由非晶二氧化硅组成,对湿度不敏感。

  电容式数字隔离器 IC 的基本结构。

  图 3:电容式数字隔离器 IC 的基本结构
  请注意,此比较专门针对所描述的应用,并不声称是考虑到所有可能性的完整评估。
  在下一节中,我们将介绍 Würth Elektronik 的 CDIS 和 CDIP 系列数字隔离器。
  电容式数字隔离器
  数字隔离器由初级侧的振荡器和调制器组成。次级侧是解调器和缓冲器。初级侧组件通过带有 SiO2 隔离栅的电容器结构与次级侧组件进行电隔离。通过隔离栅的信号传输是通过称为开/关键控的调制方法来实现的。芯片中集成的振荡器用于调制施密特触发的输入信号。调制器生成通过电容绝缘线传输的差分信号。解调器位于次级侧,用于对输入信号进行放大、滤波和重构。信号延迟和失真。,来自解调器输出的信号通过缓冲器传递至输出;缓冲器将信号放大到所需的水平。图 3 展示了内部结构以便更好地理解。
  数字隔离器采用标准 CMOS 技术制造,因此使用众所周知且经过测试的材料和工艺。发送器侧和接收器侧的电容器沉积在引线框架上。电容器本身(如图 4 中的灰色所示)形成于两个水平触点(以红色显示)之间。电容器极板之间的介电材料充当电流绝缘屏障。通过该工艺实现的绝缘厚度在几十微米范围内。使用 SiO 2 的数字隔离器作为电容器中的绝缘材料,因为其介电强度更高(500 V/μm),因此绝缘间隙所需的空间要少得多。其他常见的绝缘材料,例如聚酰亚胺,其介电强度仅为 300 V/μm。两个电容器通过键合线进行电连接,从而使两个电容器串联,如图 4 中的框图所示。为了保护整个结构,芯片和引线框架通过标准 IC 成型工艺进行封装。

  CDIS 18012x15411x 数字隔离器的框图。

  图 4:CDIS 18012x15411x 数字隔离器的框图


关键词:电流隔离

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