發布日期：2022-10-09 點擊率：78
許多工業自動化系統，特別是生產工廠中的系統，需要與使用成百上千伏高壓的設備對接。基于半導體的隔離器常用于將這些高壓與多數控制系統中使用的數字邏輯電壓隔離，后者則要低得多，僅有 5 伏。例如，單封裝雙裸片光隔離器對瞬態高壓具有高耐受性且對環境磁場具有抗擾性，因而廣泛用于此目的。但是，設計人員要采用的技術須在時間和溫度極限條件下更穩定，并且在生產方面復雜性更低。
本文解釋了為什么以及如何使用單封裝電流隔離器來安全隔離現代工業、醫療和電動汽車 (EV) 系統中使用的高壓。然后，本文還將介紹來自 Texas Instruments 的兩款面向高壓、高可靠性系統的硅基電流隔離器，并討論如何正確地將它們布置在印刷電路板上，以安全地隔離高壓與可編程邏輯控制器 (PLC) 和人機界面中使用的數字邏輯電壓。
許多工業系統是使用 PLC、計算機或人機界面 (HMI) 進行控制。這些控制系統使用 5 伏或更低的標準數字控制電壓來運行。當連接這些系統來管理 120 伏或更高的高壓時，將低數字電壓與高壓設備進行物理分隔和電氣隔離就很重要。此外，電源轉換器、DC 至 DC 轉換器和電動汽車 (EV) 也需要謹慎地將數字控制電壓與系統中可能使用的幾千伏電壓隔離。
盡管功率晶體管可以輕松處理這些應用，但它們不能安全地做到這一點。在這些應用中，晶體管在同一半導體襯底上提供數字和高壓控制功能。當功率晶體管發生故障或物理損壞時，很快便會導致幾千伏電壓注入到數字邏輯中。除了破壞控制設備之外，這還會將用戶置于風險中。
在過去，光隔離一直是對低壓與高壓系統進行物理分隔和電隔離的首選方法。典型的單封裝雙裸片光隔離器在一個裸片上包含 LED，而 LED 發出的光（通常是紅外光）穿過透明隔離柵，并照射到第二個裸片上的光電二極管接收器。光電二極管會將其轉換為低壓信號，并用于控制高壓電路。
為了使光隔離器能夠安全地控制幾千伏電壓，LED 裸片和光電二極管裸片都會封裝在透明的隔離柵內，并且隔離柵的材質能夠承受光隔離器的額定電壓。
光隔離器可耐受瞬態電子噪聲，并且完全不受環境磁場的影響，因此成為高壓電機控制應用的最佳選擇。重負荷應用中所用的光隔離器可以承受 10,000 伏或更高的極高浪涌電壓。
但是，光隔離器在極高溫條件下表現不佳。此外，光隔離器中的 LED 會隨著使用時長而老化。光隔離器也是雙裸片器件，與單裸片半導體相比，制造過程更為復雜。
在可能出現極端溫度且優先考慮使用壽命的應用中，可使用單封裝電流隔離器。光隔離通過 LED 和光電二極管將兩個電路分開，而電流隔離則通過使用基于二氧化硅 (SiO2) 的電容器或電感器的電荷耦合元器件，對兩個電路進行電隔離。隔離的有效性取決于 SiO2 電介質。
電流隔離器是高速、長壽命的器件，可輕松與多數微控制器連接。最近推出的樣品已經過測試，可承受高達 6,000 伏的電壓，可在高達 150°C 的溫度下運行，并且使用壽命超過 35 年。這可提高整個系統的安全性和可靠性，同時降低維護成本。
例如，Texas Instruments 的 ISO7762FDWR 六通道通用數字隔離器可承受高達 5,000 伏 RMS (VRMS) 的電壓，并具有 12,800 伏的絕緣浪涌電壓（圖 1）。ISO7762 有兩個型號：ISO7762F 的輸出引腳 OUT[A:F] 默認輸出邏輯低，而無 F 后綴型號的默認輸出邏輯狀態為邏輯高。
圖 1：Texas Instruments 的 ISO7762F 是一款六通道電流隔離器，其中包含四個正向通道和兩個反向通道。（圖片來源：Texas Instruments）
ISO7762F 具有兩個功率域，左右各一個，由 SiO2 隔離層進行物理和電隔離。每個功率域都有自己的獨立電源和接地引腳。
該器件具有四個正向通道和兩個反向通道。兩個反向通道（輸入 E 和 F）允許將來自高壓系統的信息發送到數字控制系統，同時仍保持兩個功率域的安全隔離。在任一方向傳輸的數據可以是簡單的數字開/關數據，也可以是使用 UART 或雙線 I2C 的串行數據。
對于每個通道，ISO7762F 使用兩個串聯的 SiO2 電容器來分隔兩個電壓域。數字數據使用開關鍵控 (OOK) 調制進行傳輸，其中任何輸入 IN[A:F] 上的邏輯 1 表示為跨電容器到另一個功率域的 AC 信號，邏輯 0 表示為 0 伏。對應的 OUT[A:F] 上的數據反映了輸入引腳的邏輯狀態。電容器中的 SiO2 電介質將兩個功率域分隔，以安全地隔離高壓控制電子器件與數字控制系統。
ISO7762F 的設計人員加強了高隔離電阻，以實現最大的安全性。25°C 時的隔離電阻額定值大于 1 兆歐 (TΩ)。150°C 下的 ISO7762F 隔離電阻大于 1 吉歐 (GΩ)。從這個角度來說，該電阻高于 ISO7762F 周圍環境空氣的電阻。
Texas Instruments 將 ISO7762F 的額定使用壽命定為至少 37 年，但電流隔離絕緣層的額定使用壽命超過 135 年。盡管通常不需要確保設備可在這么長的時間內正常運行，但這些數字表明了器件的可靠性和耐用性。
如需更高的耐壓，Texas Instruments 的 ISO7821LLSDWWR 是一款雙通道差分隔離緩沖器，額定電壓為 5700 VRMS，隔離浪涌電壓為 12,800 伏（圖 2）。兩個通道的方向相反。每個通道都是一個差分對發射器，用于低壓差分信號 (LVDS) 數據通信，速度高達每秒 150 兆位 (Mbps)。
圖 2：Texas Instruments 的 ISO7821LLS 數字隔離器具有兩個方向相反的差分通道。每個輸出緩沖器都有一個輸出允許，可禁止輸出并進入高阻抗狀態。（圖片來源：Texas Instruments）
ISO7821LLS 中用于電流隔離的 SiO2 與 ISO7762F 相同，不同之處在于，ISO7821LLS 每個通道使用一個電容器，而不是每個通道串聯兩個電容器。該器件還使用相同的 OOK 調制跨 SiO2 電容器傳輸數字數據。
ISO7821LLS 電流隔離驅動器可通過工業級電纜（例如，Belden 的 88723-002500 重負荷型兩對雙絞線電纜）傳輸 LVDS 數據。這是一種高質量的工業電纜，在紅色護套中帶有兩對 22 AWG 雙絞線。該電纜適合室內或室外使用，甚至可以埋于地下。該電纜可承受 -70°C 至 +200°C 的極端工作溫度，因此非常適合要求嚴苛的高壓工業應用，例如極熱或極冷環境中的太陽能電源逆變器。控制單元可以通過該 Belden 電纜將 LVDS 控制數據雙向傳輸至太陽能逆變器箱內的 ISO7821LLS。由于逆變器箱中的故障而引起的任何高壓浪涌都將在隔離器處停止，從而保護低壓控制單元以及該單元附近的任何操作人員。
Texas Instruments 的 ISO7821LLS 上的兩個輸出具有獨立的使能引腳，可通過將輸出置于高阻抗狀態來禁用各自的輸出。如果該器件位于具有多個驅動器的 LVDS 總線上，并且需要將該總線讓與另一總線主控器，則該功能非常有用。這適用于需要在不同位置由多個控制單元操作高壓設備的工業環境。
為了幫助設計人員評估 ISO7821LLS，Texas Instruments 提供了 ISO7821LLSEVM 評估板（圖 3）。該評估板需要極少的外部元器件，可用于評估 ISO7821LLS 的行為和性能，并允許監視 LVDS 總線通信以進行測試和基準測試。
圖 3：Texas Instruments 的 ISO7821LLSEVM 評估模塊可用于測試和評估 ISO7821LLS 雙通道差分隔離緩沖器的 LVDS 數據通信性能。（圖片來源：Texas Instruments）
由于每種高壓應用都不同，因此 ISO7821LLSEVM 不適用于測試 ISO7821LLS 的高壓隔離行為。
高壓電流隔離器的布局必須非常謹慎，以確保有效隔離。對于低 EMI 印刷電路板設計，標準布局規則適用，其中包括使用至少四層的印刷電路板，頂層是高速印制線，其下為整體地面層，再其下是電源層。較慢的控制信號應在底層上。
印刷電路板上低壓和高壓元器件的物理隔離至關重要。為此，本文討論的隔離器在封裝的左右兩側具有單獨的功率域。而且，一個域的印制線一定不能靠近另一個域的印制線，以防止信號干擾。
如果隔離器位于高壓部分，則將低壓側朝向印刷電路板的邊緣放置隔離器會更安全。這有助于防止任何高電壓電弧放電至低壓側，這種電弧可能嚴重損壞隔離器另一端的任何低壓電子器件。
工業設備會使用幾千伏電壓，這就需要元器件能夠將這些高壓與 5 伏或更低的數字控制邏輯電壓安全隔離，以保護設備及其用戶。工業設備的性質要求這種隔離在長時間的極端溫度變化中穩定可靠。
如本文所示，基于電流隔離的數字隔離器具有適合此類應用的隔離特性和工作溫度規格。只需適當注意布局和配置，便可防止損壞或人身傷害。
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