【導(dǎo)讀】為什么需要隔離?答案是隔離與可靠保護(hù)有關(guān)。電隔離是一種電路設(shè)計(jì)技術(shù),允許兩個電路進(jìn)行通信,可消除在它們之間流動的任何不需要的直流電。 各類隔離器是我們在做系統(tǒng)設(shè)計(jì)時常常會談及的話題,這篇文章將從以下三個方面展開介紹:
● 為什么需要隔離?
● 不同的隔離技術(shù)有什么不同?
● 有哪些隔離器件選型參數(shù)?
為什么需要隔離?
答案是隔離與可靠保護(hù)有關(guān)。電隔離是一種電路設(shè)計(jì)技術(shù),允許兩個電路進(jìn)行通信,可消除在它們之間流動的任何不需要的直流電。
隔離常用于:
● 保護(hù)操作人員和低壓電路免受高電壓影響。
● 防止通信子系統(tǒng)之間的地電位差。
● 改善抗噪性能。
圖1 隔離跨電介質(zhì)隔離層阻止不需要的直流電和交流電
不同的隔離技術(shù)有什么不同?
絕緣技術(shù)三個要素是:絕緣材料、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法。設(shè)計(jì)人員之所以引入隔離,是為了滿足安全法規(guī)或者降低接地環(huán)路的噪聲等。電流隔離確保數(shù)據(jù)傳輸不是通過電氣連接或泄漏路徑,從而避免安全風(fēng)險(xiǎn)。然而,隔離會帶來延遲、功耗、成本和尺寸等方面的限制。數(shù)字隔離器的目標(biāo)是在盡可能減小不利影響的同時滿足安全要求。
我們先看看絕緣材料的影響:
表1 常見絕緣材料
此表列舉了常見的絕緣材料和對應(yīng)的隔離能力(Vrms/um)。光耦器件對材料透光性的要求,使得多選用空氣(Air)和環(huán)氧樹脂(epoxies)作為隔離材料。聚酰亞胺(polymide)多為磁隔產(chǎn)品選用。而容隔器件則選用絕緣強(qiáng)度最優(yōu)的二氧化硅(SiO2)材料。
隔離材料的選用會影響到器件的體積,如下是實(shí)拍對比圖,對比了TI的容隔產(chǎn)品ISO系列和市面上常見的光耦隔離器件,可以看到容隔器件有明顯的體積優(yōu)勢。
同時,相較于聚酰亞胺(polymide),二氧化硅( SiO2)的可靠性不會因?yàn)樵诔睗癍h(huán)境工作而受到影響。
我們再從電路結(jié)構(gòu)來看,三種隔離方式的電路結(jié)構(gòu)如下圖:
圖3.1 光耦器件電路
圖3.2 磁隔器件電路
圖3.3 容隔器件電路
我們可以看到,數(shù)字隔離器使用變壓器或電容將數(shù)據(jù)以磁性方式或容性方式耦合到隔離柵的另一端,光耦合器則是使用LED發(fā)出的光。這使得光耦方案的靜態(tài)電流,數(shù)據(jù)傳輸延遲,CMTI等性能都會較差。磁隔是通過變壓器電流脈沖通過一個線圈,形成一個很小的局部磁場,從而在另一個線圈生成感應(yīng)電流。電磁感應(yīng)的原理使得磁隔產(chǎn)品在不佳的電磁工作環(huán)境中出現(xiàn)噪聲干擾的可能性更大。而容隔產(chǎn)品是利用低電流電場將數(shù)據(jù)耦合到隔離柵的另一端,抗干擾性更強(qiáng)。
最后我們看看數(shù)據(jù)傳輸方式帶來的影響。光耦合器使用LED發(fā)出的光將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁綦x柵的另一端:LED點(diǎn)亮?xí)r表示邏輯高電平,熄滅時表示邏輯低電平。當(dāng)LED點(diǎn)亮?xí)r,光耦合器需要消耗電能;對于關(guān)注功耗的應(yīng)用,光耦合器不是一個好的選擇。
磁隔產(chǎn)品常用的數(shù)據(jù)傳輸方式,是將上升沿和下降沿編碼為雙脈沖或單脈沖,以驅(qū)動變壓器。這些脈沖在副邊解碼為上升沿或下降沿。這種方法的功耗比光耦合器低10倍到100倍,因?yàn)椴幌窆怦詈掀?,無需連續(xù)提供電源給器件。這也解釋了為什么磁隔產(chǎn)品的功耗和數(shù)據(jù)速率成線性關(guān)系。
TI的容隔產(chǎn)品多采用on-off keying(OOK)調(diào)制方式,發(fā)送器發(fā)送一個高頻信號代表一種數(shù)字狀態(tài),不發(fā)送信號代表另一種數(shù)字狀態(tài)。經(jīng)過信號調(diào)理后通過緩沖器發(fā)出。容隔器件的功耗基本不隨傳輸數(shù)據(jù)速率的變化而改變。
圖4 容隔器件的概念框圖
圖5 ON-OFF keying(OOK)調(diào)制
有哪些隔離選型參數(shù)?
這里列舉了大家常在數(shù)據(jù)手冊中看到的參數(shù),做了解釋。更詳細(xì)的參數(shù)含義可以參考這個鏈接:http://www.ti.com/lit/pdf/slyy063
表2隔離器件選型常見參數(shù)
這里不一一展開,我們來重點(diǎn)看一下creepage,clearance和DIT(Distance Through Insulation)這三個容易混淆的距離參數(shù)的含義。如下圖所示,clearance是兩側(cè)引腳通過空氣的最短距離,creepage是兩側(cè)引腳通過隔離材料表面的最短距離,DTI是通過導(dǎo)電體之間的隔離填充材料的最短距離??梢哉f,DIT指的是內(nèi)部距離,creepage和clearance指的是外部距離。
圖6 clearance, creepage, DTI示意圖(依次)
需要提醒的是,數(shù)據(jù)手冊的爬電距離參數(shù)的對象芯片,如果系統(tǒng)中有更短通路,那么這個更短距離才是這個電路的隔離爬電距離。這里舉個例子,下圖將兩顆超寬封裝ISO7841DWW(creepage是14mm)串聯(lián)工作,是否可以理解成該電路的爬電距離是28mm呢?答案是不可以。這是因?yàn)殡娐分谐藬?shù)據(jù)傳輸通路還存在一個通路,即隔離電源電路。VCC1 和Viso2之間的爬電距離可能比D1和Diso2之間的爬電距離更短,而更短的距離值決定了電路的爬電距離值。
圖7 爬電距離電路示例
小結(jié):
這篇文章從三個常見問題入手:
1. 隔離器件的用途,討論了隔離與可靠保護(hù)有關(guān)。
2. 主流隔離技術(shù)包括光隔、磁隔、容隔的不同點(diǎn)和背后的原因, 重點(diǎn)從絕緣材料、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法進(jìn)行闡述和對比。
3. 隔離器件選型的主要參數(shù)、含義和注意事項(xiàng),重點(diǎn)討論了爬電距離的含義。
TI數(shù)字隔離器明星產(chǎn)品選型:
TI的數(shù)字隔離器產(chǎn)品采用的是容隔技術(shù),性價比高,產(chǎn)品種類齊全,可以涵蓋對隔離等級、通道需求和爬電距離的諸多需求。
這里列舉ISO77xx和ISO78xx系列選型表方便參考:
圖8 TI的ISO77xx和ISO78xx選型對照表
來源:TI,作者:Tan, Yuan
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