耐高温@@,寿命长@@:高压工业应用中的@@电流隔离@@器@@@@,来认识一下@@!

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作者@@:Bill Giovino,来源@@:得捷电子@@@@DigiKey

许多工业自动化系统@@,特别是生产工厂中的@@系统@@,需要与@@使用成百上千伏@@高压的@@设备@@对接@@。基于半导体的@@隔离器常用于将@@这些高压与@@多数控制系统中使用的@@数字逻辑@@电压隔离@@,后者则要低得多@@,仅有@@5伏@@。例如@@,单封装双裸片光隔离器对瞬态高压具有高耐受性且对环境磁场具有抗扰性@@,因而@@广泛用于此目的@@@@。但是@@,设计人员要采用的@@技术须在时间和@@温度极限条件下更稳定@@,并且在生产方面复杂性更低@@。

本文解释了为什么以及如何使用单封装电流隔离@@器@@来安全隔离现代工业@@、医疗和@@电动汽车@@ (EV) 系统中使用的@@高压@@。然后@@,本文还将@@介绍来自@@Texas Instruments的@@两款面向高压@@、高可靠性系统的@@硅基电流隔离@@器@@@@,并讨论如何正确地将@@它们布置在印刷电路板上@@,以安全地隔离高压与@@可编程逻辑@@控制器@@ (PLC) 和@@人机界面中使用的@@数字逻辑@@电压@@。

为什么要隔离高压和@@低压@@?

许多工业系统是使用@@PLC、计算机或人机界面@@ (HMI) 进行控制@@。这些控制系统使用@@5伏@@或更低的@@标准数字控制电压来运行@@。当连接这些系统来管理@@120伏@@或更高的@@高压时@@,将@@低数字电压与@@高压设备@@进行物理分隔和@@电气隔离就很重要@@。此外@@,电源转换器@@、DC-DC转换器和@@电动汽车@@ (EV) 也需要谨慎地将@@数字控制电压与@@系统中可能使用的@@几千伏@@电压隔离@@。

尽管功率晶体管可以轻松处理这些应用@@,但它们不能安全地做到这一点@@。在这些应用中@@,晶体管在同一半导体衬底上提供数字和@@高压控制功能@@。当功率晶体管发生故障或物理损坏时@@,很快便会导致几千伏@@电压注入到数字逻辑@@中@@。除了破坏控制设备@@之外@@,这还会将@@用户置于风险中@@。

在过去@@,光隔离一直是对低压与@@高压系统进行物理分隔和@@电隔离的@@首选方法@@。典型的@@单封装双裸片光隔离器在一个裸片上包含@@@@LED,而@@LED发出的@@光@@(通常是红外光@@)穿过透明隔离栅@@,并照射到第二个裸片上的@@光电二极管接收器@@。光电二极管会将@@其转换为低压信号@@@@,并用于控制高压电路@@。

为了使光隔离器能够安全地控制几千伏@@电压@@,LED裸片和@@光电二极管裸片都会封装在透明的@@隔离栅内@@,并且隔离栅的@@材质能够承受光隔离器的@@额定电压@@。

光隔离器可耐受瞬态电子@@噪声@@,并且完全不受环境磁场的@@影响@@,因此@@成为高压电机控制应用的@@最佳选择@@。重负荷应用中所用的@@光隔离器可以承受@@10,000伏@@或更高的@@极高浪涌电压@@。

但是@@,光隔离器在极高温条件下表现不佳@@。此外@@,光隔离器中的@@@@LED会随着使用时长而@@老化@@。光隔离器也是双裸片器件@@,与@@单裸片半导体相比@@,制造过程更为复杂@@。

电流隔离@@

在可能出现极端温度且优先考虑使用寿命的@@应用中@@,可使用单封装电流隔离@@器@@@@。光隔离通过@@LED和@@光电二极管将@@两个电路分开@@,而@@电流隔离@@则通过使用基于二氧化硅@@ (SiO2) 的@@电容器@@或电感器@@的@@电荷耦合元器件@@,对两个电路进行电隔离@@。隔离的@@有效性取决于@@SiO2电介质@@。

电流隔离@@器@@是高速@@、长寿命的@@器件@@,可轻松与@@多数微控制器连接@@。最近推出的@@样品已经过测试@@,可承受高达@@6,000伏@@的@@电压@@@@,可在高达@@150°C的@@温度下运行@@,并且使用寿命超过@@35年@@。这可提高整个系统的@@安全性和@@可靠性@@,同时降低维护成本@@。

例如@@,Texas Instruments的@@ISO7762FDWR六通道通用数字隔离器可承受高达@@@@5,000伏@@RMS (VRMS)的@@电压@@,并具有@@12,800伏@@的@@绝缘浪涌电压@@(图@@ 1)。ISO7762有两个型号@@:ISO7762F的@@输出引脚@@OUT[A:F] 默认输出逻辑@@低@@,而@@无@@F后缀型号的@@默认输出逻辑@@状态为逻辑@@高@@。

Texas Instruments的@@ISO7762F是一款六通道电流隔离@@器@@@@,其中包含@@四个正向通道和@@两个反向通道@@@@

图@@1:Texas Instruments的@@ISO7762F是一款六通道电流隔离@@器@@@@,其中包含@@四个正向通道和@@两个反向通道@@@@。(图@@片来源@@@@:TexasInstruments)

ISO7762F具有两个功率域@@,左右各一个@@,由@@SiO2隔离层进行物理和@@电隔离@@。每个功率域都有自己的@@独立电源和@@接地引脚@@。

该器件具有四个正向通道和@@两个反向通道@@@@。两个反向通道@@(输入@@E和@@F)允许将@@来自高压系统的@@信息发送到数字控制系统@@,同时仍保持两个功率域的@@安全隔离@@。在任一方向传输@@的@@数据@@可以是简单的@@数字开@@/关数据@@@@,也可以是使用@@UART或双线@@I2C的@@串行数据@@@@。

对于每个通道@@,ISO7762F使用两个串联的@@@@SiO2电容器@@来分隔两个电压域@@。数字数据@@使用开关键控@@ (OOK) 调制进行传输@@@@,其中任何输入@@@@IN[A:F]上的@@逻辑@@@@1表示为@@跨电容器@@到另一个功率域的@@@@AC信号@@,逻辑@@0表示为@@0伏@@。对应的@@@@OUT[A:F]上的@@数据@@反映了输入@@引脚的@@逻辑@@状态@@。电容器@@中的@@@@SiO2电介质@@将@@两个功率域分隔@@,以安全地隔离高压控制电子@@器件与@@数字控制系统@@。

ISO7762F的@@设计人员加强了高隔离电阻@@,以实现最大的@@安全性@@。25°C时的@@隔离电阻额定值@@大于@@1兆欧@@ (TΩ)。150°C下的@@@@ISO7762F隔离电阻大于@@1吉欧@@(GΩ)。从这个角度来说@@,该电阻高于@@ISO7762F周围环境空气的@@电阻@@。

Texas Instruments将@@ISO7762F的@@额定使用寿命定为至@@少@@37年@@,但电流隔离@@绝缘层的@@额定使用寿命超过@@135年@@。尽管通常不需要确保设备@@可在这么长的@@时间内正常运行@@,但这些数字表明了器件的@@可靠性和@@耐用性@@。

如需更高的@@耐压@@,Texas Instruments的@@ISO7821LLSDWWR是一款双通道差分隔离缓冲器@@,额定电压为@@5700VRMS,隔离浪涌电压为@@12,800伏@@(图@@2)。两个通道的@@方向相反@@。每个通道都是一个差分对发射器@@,用于低压差分信号@@@@ (LVDS) 数据@@通信@@,速度高达每秒@@150兆位@@ (Mbps)。

Texas Instruments的@@ISO7821LLS数字隔离器具有两个方向相反的@@差分通道@@

图@@2:Texas Instruments的@@ISO7821LLS数字隔离器具有两个方向相反的@@差分通道@@。每个输出缓冲器都有一个输出允许@@,可禁止输出并进入高阻抗状态@@。(图@@片来源@@@@:Texas Instruments)

ISO7821LLS中用于电流隔离@@的@@@@SiO2与@@ISO7762F相同@@,不同之处在于@@,ISO7821LLS每个通道使用一个电容器@@@@,而@@不是每个通道串联两个电容器@@@@。该器件还使用相同@@的@@@@OOK调制跨@@SiO2电容器@@传输@@数字数据@@@@。

ISO7821LLS电流隔离@@驱动器可通过工业级电缆@@(例如@@,Belden的@@88723-002500重负荷型两对双绞线@@电缆@@)传输@@LVDS数据@@。这是一种高质量的@@工业电缆@@,在红色护套中带有两对@@22AWG双绞线@@。该电缆适合室内或室外使用@@,甚至@@可以埋于地下@@。该电缆可承受@@-70°C至@@+200°C的@@极端工作温度@@,因此@@非常适合要求严苛的@@高压工业应用@@,例如@@极热或极冷环境中的@@太阳能电源逆变器@@。控制单元可以通过该@@Belden电缆将@@@@LVDS控制数据@@双向传输@@至@@太阳能逆变器箱内的@@@@ISO7821LLS。由@@于逆变器箱中的@@故障而@@引起的@@任何高压浪涌都将@@在隔离器处停止@@,从而@@保护低压控制单元以及该单元附近的@@任何操作人员@@。

Texas Instruments的@@ISO7821LLS上的@@两个输出具有独立的@@使能引脚@@,可通过将@@输出置于高阻抗状态来禁用各自的@@输出@@。如果该器件位于具有多个驱动器的@@@@LVDS总线上@@,并且需要将@@该总线让与@@另一总线主控器@@,则该功能非常有用@@。这适用于需要在不同位置由@@多个控制单元操作高压设备@@的@@工业环境@@。

为了帮助设计人员评估@@ISO7821LLS,Texas Instruments提供了@@ISO7821LLSEVM评估板@@(图@@3)。该评估板@@需要极少的@@外部元器件@@,可用于评估@@ISO7821LLS的@@行为和@@性能@@,并允许监视@@LVDS总线通信以进行测试和@@基准测试@@。

Texas Instruments的@@ISO7821LLSEVM评估模块可用于测试和@@评估@@ISO7821LLS双通道差分隔离缓冲器的@@@@LVDS数据@@通信@@性能@@

 图@@3:Texas Instruments的@@ISO7821LLSEVM评估模块可用于测试和@@评估@@ISO7821LLS双通道差分隔离缓冲器的@@@@LVDS数据@@通信@@性能@@。(图@@片来源@@@@:Texas Instruments)

由@@于每种高压应用都不同@@,因此@@ISO7821LLSEVM不适用于测试@@ISO7821LLS的@@高压隔离行为@@。

电流隔离@@器@@PCB布局@@

高压电流隔离@@器@@的@@布局@@必须非常谨慎@@,以确保有效隔离@@。对于低@@EMI印刷电路板设计@@,标准布局@@规则适用@@,其中包括使用至@@少四层的@@印刷电路板@@,顶层是高速印制线@@,其下为整体地面层@@,再其下是电源层@@。较慢的@@控制信号@@应在底层上@@。

印刷电路板上低压和@@高压元器件的@@物理隔离至@@关重要@@。为此@@,本文讨论的@@隔离器在封装的@@左右两侧具有单独的@@功率域@@。而@@且@@,一个域的@@印制线一定不能靠近另一个域的@@印制线@@,以防止信号@@干扰@@。

如果隔离器位于高压部分@@,则将@@低压侧朝向印刷电路板的@@边缘放置隔离器会更安全@@。这有助于防止任何高电压电弧放电至@@低压侧@@,这种电弧可能严重损坏隔离器另一端的@@任何低压电子@@器件@@。

总结@@

工业设备@@会使用几千伏@@电压@@,这就需要元器件能够将@@这些高压与@@@@5伏@@或更低的@@数字控制逻辑@@电压安全隔离@@,以保护设备@@及其用户@@。工业设备@@的@@性质要求这种隔离在长时间的@@极端温度变化中稳定可靠@@。

如本文所示@@,基于电流隔离@@的@@数字隔离器具有适合此类应用的@@隔离特性和@@工作温度规格@@。只需适当注意布局@@和@@配置@@,便可防止损坏或人身伤害@@。

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