《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁(yè) > 模擬設(shè)計(jì) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 新型數(shù)字電容隔離器功能原理介紹
新型數(shù)字電容隔離器功能原理介紹
摘要: 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。
Abstract:
Key words :

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(lèi)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(jiǎn)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(zhǎng)的高系統(tǒng)性能需求,。這里所說(shuō)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(guò)穩(wěn)健的數(shù)據(jù)傳輸來(lái)滿足這一需求。另一方面,,特別是對(duì)隔離器而言,,通過(guò)長(zhǎng)使用壽命來(lái)解決這個(gè)問(wèn)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(hào)路徑:一條為高數(shù)據(jù)速率通道(稱(chēng)作 AC-通道),另一條為低數(shù)據(jù)速率通道(稱(chēng)作 DC-通道),。AC-通道傳輸介于 100 kbps 和 100 Mbps 之間的信號(hào),,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(hào)由 AC 通道來(lái)處理,信號(hào)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(mén)觸發(fā)器,。相當(dāng)于原始輸入信號(hào)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(mén)狗定時(shí)器,該定時(shí)器用于測(cè)量信號(hào)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(hào)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(hào)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(duì)低頻輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,。在 AC-通道中對(duì)調(diào)制后信號(hào)的處理過(guò)程與高頻信號(hào)相同,。然而,在向輸出多路復(fù)用器提交該信號(hào)以前,,需通過(guò)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(hào),。

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(hào)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(hào)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(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖,。從內(nèi)部來(lái)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(lái)提供,。

由于 AC-通道和 DC-通道均使用一種差分信號(hào)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(lái)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(lái)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(guò)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(qǐng)參見(jiàn)圖 3),。這是因?yàn)樵撈骷话?2 條信號(hào)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?hào)丟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(duì)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?,并從控制單元傳輸?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(lái)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(qǐng)參見(jiàn)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(lái)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(chǎng)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?chē)鷾囟染S持在 150oC 時(shí),,TDDB 由隔離器的施加應(yīng)力電壓決定(請(qǐng)參見(jiàn)圖 5)。測(cè)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(cè)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(cè)試方法

圖 6 所示的 TDDB 曲線表明,,電容隔離器的測(cè)試數(shù)據(jù)(時(shí)間為 5 年)完全匹配 E模型預(yù)測(cè),,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(zhǎng)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(zhǎng)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,。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),,未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。