數(shù)字電容隔離器的應用環(huán)境通常包括一些大型電動馬達,、發(fā)電機以及其他產(chǎn)生強電磁場的設備,。暴露在這些磁場中,,可引起潛在的數(shù)據(jù)損壞問題,,因為電勢(EMF,,即這些磁場形成的電壓)會干擾數(shù)據(jù)信號傳輸,。由于存在這種潛在威脅,,因此許多數(shù)字隔離器用戶都要求隔離器具備高磁場抗擾度(MFI),。許多數(shù)字隔離器技術(shù)都聲稱具有高MFI,,但電容隔離器卻因其設計和內(nèi)部結(jié)構(gòu)擁有幾乎無窮大的 MFI。本文將對其設計進行詳細的介紹,。
基本物理定則
諸如電動機的電源線等帶電導體,,其周圍便是一個由流經(jīng)它的電流形成的磁場。應用右手定則(請參見圖1),,我們很容易便可以確定該磁場的方向,。該定則的內(nèi)容如下:用右手握住導體,然后拇指指向電流的方向,,這時環(huán)繞導體的手指便指向磁場的方向,。因此,磁通線的平面始終與電流垂直,。
圖1 顯示了DC 電流的磁通密度B,。就AC 電流而言,將右手定則用于兩個方向,,磁場和AC 電流都隨同一個頻率f 而變化:B(f) ~ I(f),。磁場(或者更加精確的說法是磁通密度及其相應磁場強度)隨導體中心軸距離的增加而減弱。這些關系可以表示為:
以及
其中,,B 為以第平方米伏秒(V•s/m2) 表示的磁通密度,,μ0 為自由空間中的磁導率(計算方法為4π × 10–7 V•s/A•m),I 為以安培為單位的電流,,r 為以米為單位的導體距離,,而H 為以安培每米(A/m) 為單位的磁場強度。
圖1右手定則
磁場線穿過附近導體環(huán)路時,,它們會產(chǎn)生一個EMF,,其強度大小取決于環(huán)路面積和通量密度及磁場頻率:
EMF 為以伏特為單位的電勢,f 為磁場頻率,,而A 為以平方米(m2) 為單位的環(huán)路面積,。
所有隔離器都有一定形狀或者形式的導電環(huán)路,,以讓磁場線穿過并產(chǎn)生EMF。如果強度足夠大,,則這種疊加到信號電壓上的EMF 就會導致錯誤數(shù)據(jù)傳輸,。實際上,一些隔離技術(shù)對電磁干擾非常敏感,。為了理解電容隔離器為什么不受磁場的影響,,我們需要對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行研究。
電容隔離器的結(jié)構(gòu)
電容隔離器由兩塊硅芯片—一個發(fā)送器和一個接收機組成(請參見圖2),。數(shù)據(jù)傳輸在由兩個電容構(gòu)成的差動隔離層之間進行,,在每個電容的二氧化硅(SiO2) 電介質(zhì)兩端都有一塊銅頂片和一個導電硅底片。發(fā)送器芯片的驅(qū)動器輸出通過一些接合線連接到接收機芯片上隔離電容的頂片,。通過將電容的底片連接接收機輸入構(gòu)成了一個導電環(huán)路,。圖3 顯示了隔離層的等效電路結(jié)構(gòu)圖,并標示出了金接合線之間的環(huán)路區(qū)域,。很明顯,,穿過該環(huán)路的磁場將會產(chǎn)生一個EMF,其表示下面RC 網(wǎng)絡的輸入電壓噪聲Vn1,。我們常常碰到的第二種差動噪聲部分Vn2,,其產(chǎn)生原因是共模噪聲到差動噪聲的轉(zhuǎn)換。兩個噪聲分量共同組成了綜合噪聲Vn,。如果只考慮EMF 的影響,,則可以保守地將Vn 一分為二:
圖2電容隔離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡化結(jié)構(gòu)圖
圖3隔離層的等效電路結(jié)構(gòu)圖
若要觸發(fā)接收機,RC 網(wǎng)絡的輸出必須提供一個差動輸入電壓VID,,其超出了接收機輸入閾值,。是否出現(xiàn)偽觸發(fā),具體取決于RC 網(wǎng)絡的增益響應G(f),。
將差動網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換為單端網(wǎng)絡(請參見圖4),,簡化了G(f) 的推導過程,但卻要求C′1 = 2C1,,R′1= R1/2,,C′2 = 2C2,以及R′2 = R2/2,。
圖4單端RC 網(wǎng)絡
一次電路仿真證實了RC 網(wǎng)絡為一個一階高通濾波器,,其C′1 和R′1 為主要組件,頻率高達100 MHz(參見圖5 中藍色曲線),。超出這一頻率以后,,寄生組件C′2 和R′2生效,從而引起稍稍偏離于線性的斜率,。因此,,頻率達到100 MHz 以后,增益響應可以表示為VID/vn 的比:
確定不會引起偽接收機觸發(fā)的最大允許噪聲,,要求對方程式5 求解vn:
然后,,將vn 代入方程式4,得到以伏特為單位的最大容許EMF:
將EMF 代入方程式3,,得到最大可能磁通密度:
圖5增益幅度頻率響應|G(f)|
通過將下列數(shù)值插入方程式8 中,,推導出表1 所列磁通密度的頻變值:
VID = 10 mV(接收機輸入閾值的大小)
R′1 × C′1 = 25 ps(有效時間常數(shù))
A = 944 × 10–9m2(有效環(huán)路面積)
f = 1 kHz to 100 MHz(相關頻率范圍)
表1距離電容隔離器0.1m 的導體的電流值和磁場值
利用方程式2 和3 還得到EMF,、磁場強度(H) 以及導體(此處假設將來的隔離器為0.1 m)的相應電流(I),。
由表1 所列的一些極高值,清楚地表明5 兆安低頻電流和100MHz 下500A 電流都不能讓這種隔離器停止正常工作,。出現(xiàn)這種幾乎無限MFI 的原因是隔離電容的位置,。如果這些電容位于發(fā)送器芯片上,則任何接合線中產(chǎn)生的EMF 都能夠影響到未受干擾的接收機輸入,。
很明顯,,這種高MFI 值不可能進行實際的測試。電容隔離器的產(chǎn)品說明書說明了僅1000 A/m 的適度值作為實際測試用,。然而,,無屏蔽電容隔離器可以輕松通過IEC61000-4-8 和IEC61000-4-9 標準的5 級MFI 要求。這些標準分別描述了高達100 A/m 電源頻率電磁場以及1000 A/m 脈沖電磁場的應用,。5 級規(guī)定了許多導體,、總線或者中高壓線路的惡劣工業(yè)環(huán)境,它們都攜帶有數(shù)萬安的電流,。另外還包括許多攜帶全部雷電電流的雷電保護系統(tǒng)和高層建筑結(jié)構(gòu)(例如:電纜塔等)的接地導體,。重型工業(yè)廠房和電站的室外配電裝置也是這種環(huán)境的代表。
圖6 將電容隔離器的計算得MFI 閾值同IEC 61000-4-8 和IEC 61000-4-9 的5 級(最高)測試水平進行了對比,。
圖6MFI 測試閾值
結(jié)論
超出電容隔離器差動電路噪聲預算的磁耦合要求1MHz 下大于11.7 V•s/m2(117千高斯)的磁通量密度,。這需要在一個距離器件0.1m 的導體中有超過5 百萬安的電流才能產(chǎn)生這樣一個磁場。在自然界或者任何制造設備中這都是不可能存在的,。如果的確存在,,那么設計人員便可做以下情況假設:在隔離層失效以前,周圍的電路便都已失效,。