數字隔離器在工業電機驅動應用中的優勢
加入技術交流群
隔離器技術傳輸速率比較
隔離不得給整體系統性能帶來任何顯著的時序不確定性或時序誤差。標準光耦合器的傳播延遲為微秒級，可能因器件而異，因溫度和壽命而異。光耦合器技術在時序性能方面存在一些根本的不足，而現代數字隔離器采用完全不同的運算原則，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，將來自LED的光發送至一種光學透明的隔離材料，并用另一端的光電二極管檢測光。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間直接相關。減少傳播延遲的一種方法是增加發射的光量。通過提高LED電流，可以使延遲減少2或3倍，但其代價是設備功耗會增加，每個數據通道最高將達50 mW。
提高速度的另一種辦法是通過使用更薄的隔離柵來減少光傳輸損耗。為了維持相同的隔離能力，需要增加一層材料，但代價是成本也將增高。更快的光耦合器比標準的低成本光耦合器要貴許多倍。
相反，數字隔離器則是采用標準的高速CMOS工藝，并搭載隔離式片內微變壓器。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計與生俱來的特點，不需要更復雜、成本更高的隔離材料也可實現更高的速度。變壓器可以以最高150 Mbps的傳輸速率傳遞數據，傳播延遲低至32 ns，功耗<5 mW，開關速率為25 kHz或以上。速度更快的另一個好處是，通道間的匹配優于5 ns，比標準光耦合器高出了一個數量級，僅以大約一半的單位通道成本即可實現比光耦合器快3至4倍的卓越性能。
隔離的抗噪性
在電機驅動系統中，隔離還提供了一個分離噪聲源的機會，方法是以電流方式將噪聲從功率開關電路和控制電路之中隔離開來。以下各項之間有安全隔離需求：高壓總線、線路電壓和用戶界面，以同時保護人、保護其他設備。還需要在功能上使高端開關和低端開關與控制電路相隔離。隔離元件必須能提供必要的隔離，同時也需對嘈雜環境不敏感。
衡量隔離器分離地域之間高速噪聲的能力的指標一般稱為共模瞬變抗擾度(CMTI)。CMTI旨在衡量一個隔離器在隔離器數據通信不被噪聲打斷的情況下，對隔離柵中的電壓噪聲的抑制能力。其單位是kV/μs瞬變。
圖2. 光耦合器內部結構。
圖3. 基于變壓器的數字隔離器的結構。
電壓瞬變噪聲跨越隔離柵的路徑一般是寄生電容跨過隔離器中的隔離柵。光耦合器的CMTI一般較差，為15 kV/μs。一些現代數字隔離器采用電容耦合數據隔離技術，其信號和共模噪聲使用同一路徑。基于變壓器的隔離器(如ADI的iCoupler數字隔離器)的信號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。非標準材料會使生產復雜化，導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，并且已經在標準半導體工藝中使用多年。聚合物是許多光耦合器的基礎，作為高壓絕緣體具有悠久的歷史。
評論