【導(dǎo)讀】本文將概述電隔離，解釋高壓系統(tǒng)的常用隔離方法，并展示德州儀器 (TI) 隔離集成電路 (IC) 如何幫助設(shè)計(jì)人員可靠地滿(mǎn)足隔離需求，同時(shí)縮小解決方案尺寸并降低成本。
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本文將概述電隔離，解釋高壓系統(tǒng)的常用隔離方法，并展示德州儀器 (TI) 隔離集成電路 (IC) 如何幫助設(shè)計(jì)人員可靠地滿(mǎn)足隔離需求，同時(shí)縮小解決方案尺寸并降低成本。
1、什么是電隔離？
電隔離引入了電氣隔板，可阻止電流在系統(tǒng)的兩個(gè)或多個(gè)器件之間流動(dòng)。隔離信號(hào)和電源可保護(hù)人員和設(shè)備，并遵守行業(yè)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
2、高電壓電隔離問(wèn)題和方法
了解構(gòu)建隔離柵時(shí)的主要考慮因素，例如額定電壓、間距尺寸、共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI) 和電磁干擾(EMI)。
3、可靠地滿(mǎn)足隔離需求，同時(shí)縮小解決方案 尺寸并降低成本
得益于 TI 在電容和磁隔離、封裝開(kāi)發(fā)和工藝技術(shù)方面的進(jìn)步，可以跨工業(yè)和汽車(chē)系統(tǒng)（例如電動(dòng)汽車(chē)(EV)、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、工廠(chǎng)自動(dòng)化和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器）的隔離柵安全可靠地提供電源和傳輸高速信號(hào)。
在任何高壓電源系統(tǒng)中，首要考慮事項(xiàng)是保護(hù)維護(hù)人員和終端設(shè)備用戶(hù)。電隔離可以將高電壓與其他低電壓人機(jī)界面段隔離開(kāi)來(lái)，從而同時(shí)滿(mǎn)足這個(gè)優(yōu)先事項(xiàng)。第二個(gè)優(yōu)先事項(xiàng)是確定高電壓和低電壓電路之間可實(shí)現(xiàn)安全可靠的運(yùn)行，例如電壓和電流檢測(cè)、電源控制、數(shù)字通信和信號(hào)處理等。可靠的隔離技術(shù)、材料和 IC 使設(shè)計(jì)人員能夠滿(mǎn)足這一優(yōu)先級(jí)。
什么是電隔離？
電隔離分隔電氣系統(tǒng)，從而防止兩個(gè)器件之間產(chǎn)生直流電流和有害的交流電流，同時(shí)仍允許信號(hào)和電源傳輸。圖 1展示了兩個(gè)電隔離電路。
圖 1. 低到高電壓電信號(hào)隔離。
當(dāng) GND1 從 GND2 斷開(kāi)時(shí)，I1 與 I2 實(shí)現(xiàn)電隔離。由于GND1 和 GND2 之間沒(méi)有共性，因此沒(méi)有通過(guò)隔離柵共享共同的直流接地電流。除了在不導(dǎo)通的情況下隔離共享的接地連接和信號(hào)通信，由于 GND2 可轉(zhuǎn)移到相對(duì)于 GND1的另一個(gè)浮動(dòng)電勢(shì)，因此還可以使用電隔離進(jìn)行電壓電平
轉(zhuǎn)換。
由于更多的雙向信號(hào)信息通過(guò)隔離柵進(jìn)行通信，因此高電壓系統(tǒng)需要更多的隔離。圖 2 展示了以下示例：電源、高速柵極驅(qū)動(dòng)器信號(hào)和數(shù)字通信信號(hào)都必須穿過(guò)隔離柵。許多模擬和數(shù)字電路都有特定的偏置電壓要求，數(shù)字信號(hào)和電源都必須穿過(guò)隔離柵。在同一系統(tǒng)中，隔離式高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 可能需要 3.3V，而隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器可能需要 +15V 和 –5V。這些要求不僅讓信號(hào)穿過(guò)隔離柵，還要穿過(guò)電源。
圖 2. 穿過(guò)隔離柵傳輸?shù)男盘?hào)類(lèi)型。
如需詳細(xì)了解電隔離，請(qǐng)觀(guān)看什么是電隔離？視頻。
高電壓電隔離問(wèn)題
在系統(tǒng)中構(gòu)建可靠的隔離柵時(shí)，需要考慮很多因素，包括隔離額定值、爬電距離和電氣間隙、CMTI 和 EMI。功能、基本和增強(qiáng)型隔離指的是分配給電氣系統(tǒng)的絕緣額定級(jí)別，如表 1 中所列。
表 1. 隔離等級(jí)。
功能隔離指的是為系統(tǒng)分配極少隔離，以便使系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，但不一定能防止電擊。功能隔離的一個(gè)例子是在給定電壓額定值下維持適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒?(PCB) 導(dǎo)體間
距。
基本隔離提供“足夠的”電擊防護(hù)，具有與最高系統(tǒng)級(jí)電壓同等的安全等級(jí)。
增強(qiáng)型隔離是應(yīng)用于高電壓系統(tǒng)的最高商用等級(jí)。滿(mǎn)足增強(qiáng)型隔離要求的一種方法是在隔離柵上引入更遠(yuǎn)的距離，使其能夠承受更高的電壓測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和更長(zhǎng)的額定壽命。例如，在國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 60747-17 和 IEC 607475-5中，與基本隔離相比，強(qiáng)制局部放電測(cè)試電壓 (VPD) 更高。如需詳細(xì)了解增強(qiáng)型隔離，請(qǐng)觀(guān)看什么是增強(qiáng)型隔離？視頻。
若要認(rèn)證高電壓系統(tǒng)是否符合增強(qiáng)型隔離要求，首先需要選擇符合由各個(gè)委員會(huì)定義的安全和認(rèn)證測(cè)試協(xié)議的隔離器。美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室 (UL) 是美國(guó)的一家全球安全認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室，但不同的國(guó)家/地區(qū)要求遵守其當(dāng)?shù)鼗騾^(qū)域系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。因此，打算在全球使用的隔離器必須符合各種國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)。
表 2 總結(jié)了數(shù)字（電容和磁性）隔離器和光耦合器的 IEC
標(biāo)準(zhǔn)要求。
表 2. 適用于電容隔離器和磁隔離器及光耦合器的 IEC 標(biāo)準(zhǔn)。隔離器有幾個(gè)重要參數(shù)。例如，爬電距離和間隙距離是穿過(guò)隔離柵的兩根導(dǎo)電引線(xiàn)間的最短距離。如圖 3 中所示，爬電距離是在穿過(guò) IC 封裝表面的鄰接導(dǎo)體之間測(cè)得的最短距離，而間隙距離在空氣中測(cè)得。
圖 3. 穿過(guò)表面的爬電距離 (a) 和在空氣中穿過(guò)隔離器封裝的間隙。
封裝技術(shù)在實(shí)現(xiàn)更高的爬電距離和間隙距離測(cè)量值方面起著重要的作用，可為工程師提供不同的選項(xiàng)。高質(zhì)量模塑化合物、寬體封裝和更高的增強(qiáng)型隔離等級(jí)相輔相成，因?yàn)楦叩母綦x等級(jí)需要更寬的封裝和更好的模塑化合物，以便封裝不會(huì)引發(fā)擊穿和電弧。
另一個(gè)參數(shù)是 CMTI，它指明了隔離器在高速瞬變情況下可靠運(yùn)作的能力，以千伏/微秒或伏/納秒為單位。寬帶隙半導(dǎo)體的普及導(dǎo)致出現(xiàn)更高瞬變電壓 (dV/dt) 的邊沿速率，使得 CMTI 的測(cè)量對(duì)于監(jiān)測(cè)隔離器的恢復(fù)性至關(guān)重要。高性能隔離器的 CMTI 額定值很容易達(dá)到 100V/ns，許多CMTI 測(cè)試的結(jié)果都超過(guò) 200V/ns。使用低 CMTI 隔離器在高 dV/dt 環(huán)境中預(yù)期會(huì)出現(xiàn)信號(hào)完整性問(wèn)題，例如脈沖抖動(dòng)、失真、運(yùn)行不穩(wěn)定或丟失脈沖信息。IC 級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的隔離考量是類(lèi)似的。我們通常要在更小的IC 封裝尺寸、更高的集成度、熱管理和符合認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)與降低 EMI 和實(shí)現(xiàn)更高效率的需求之間進(jìn)行權(quán)衡取舍。選擇旨在滿(mǎn)足 IC 級(jí)的所有這些需求的隔離型組件，有助于無(wú)縫過(guò)渡到系統(tǒng)級(jí)別的完全增強(qiáng)型合規(guī)性。
隔離方法
因?yàn)?IC 可以阻斷直流和低頻交流電流，而允許電源、模擬信號(hào)或高速數(shù)字信號(hào)通過(guò)隔離柵，因此它們是用于在現(xiàn)代高電壓系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)隔離的基本構(gòu)建塊。圖 4 展示了三種常用的半導(dǎo)體技術(shù)：光學(xué)（光耦合器）、電場(chǎng)信號(hào)傳輸（電容式）和磁場(chǎng)耦合（變壓器）。TI 隔離 IC 使用先進(jìn)的電容隔離技術(shù)和專(zhuān)有平面變壓器。TI 利用其封裝開(kāi)發(fā)、隔離和制成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高集成、高性能和高可靠性。
圖 4. 半導(dǎo)體隔離技術(shù)：光耦合器 (a)；電容式 (b)；變壓器 (c)。
每種技術(shù)都依賴(lài)一種或多種半導(dǎo)體絕緣材料（例如表 3 中列出的材料）來(lái)達(dá)到所需的隔離性能水平。更高電介質(zhì)強(qiáng)度的材料對(duì)于在給定距離，會(huì)有更好的隔離電壓效果。
表 3. 半導(dǎo)體絕緣材料。
光學(xué)隔離
光耦合器是指在模擬和數(shù)字信號(hào)隔離應(yīng)用中使用的 IC。它們的工作原理是，通過(guò)空氣、環(huán)氧樹(shù)脂或模塑化合物等電介質(zhì)絕緣材料，將 LED 光源傳輸?shù)焦饩w管。從表 3 中可以看出，這些材料具有極低的電介質(zhì)強(qiáng)度，因此需要更多的物理分隔來(lái)實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的隔離。TI 的產(chǎn)品系列目前不包括光隔離產(chǎn)品。
盡管發(fā)光二極管光子是已知超快的電磁能量傳輸介質(zhì)，但LED 開(kāi)關(guān)速度、正向偏置要求和驅(qū)動(dòng)電路將其信號(hào)速率限制在每秒幾兆位以下。此外，光傳輸效率無(wú)法傳輸足夠的功率以有效用作電源，因此通常光耦合器僅用于傳輸數(shù)據(jù)。
光耦合器封裝內(nèi)的 LED 驅(qū)動(dòng)電路和放大器等組合功能有助于實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率，但成本更高。輸入至輸出電流傳輸比是光耦合器增益的量度，會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化和退化。設(shè)計(jì)人員會(huì)通過(guò)超額指定所需的偏置電流來(lái)補(bǔ)償這種老化效應(yīng)。因此，與電容和磁隔離器相比，光耦合器往往具有更高的功耗。
電容隔離
由于電容器天生就能阻斷直流信號(hào)，因此電容隔離技術(shù)基于穿過(guò)電介質(zhì)的交流信號(hào)傳輸，使用開(kāi)關(guān)鍵控、相移鍵控、基于邊沿的傳輸或其他類(lèi)型的更高階調(diào)制等方案。圖5 展示了一對(duì)非常基本的調(diào)制器/解調(diào)器，使用差分信號(hào)通過(guò)串聯(lián)電容隔離柵。這些電容器可以發(fā)送數(shù)據(jù)和非常有限的功率。圖 5 顯示了用于構(gòu)建隔離柵的兩個(gè)電容器，但根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求和所需的隔離額定值，一個(gè)電容器也可
能滿(mǎn)足應(yīng)用要求。
串聯(lián)電容隔離器是多芯片模塊，包含發(fā)送器（左裸片）和接收器（右裸片）。如圖 6 所示，每個(gè)裸片都有一個(gè)專(zhuān)用電容器，用于提供高電壓隔離和電擊防護(hù)，同時(shí)滿(mǎn)足增強(qiáng)型隔離要求，相當(dāng)于兩級(jí)基本隔離。
圖 5. 調(diào)制用于通過(guò)以電容方式形成的隔離柵傳輸信息。
圖 6. 電容隔離器示例。
可以在一個(gè) IC 封裝中放置多個(gè)電容通道，任一側(cè)可以是發(fā)送器或接收器，從而實(shí)現(xiàn)雙向信號(hào)通信。電容隔離器具有低傳播延遲，可以在超過(guò) 150Mbps 的速率下傳輸數(shù)據(jù)，
并且與光耦合器相比消耗更少的偏置電流，但隔離邊界的各側(cè)仍需要單獨(dú)的偏置電源電壓。
TI 的電容隔離器使用 SiO2 電介質(zhì)（參閱圖 7）構(gòu)建，該電介質(zhì)在表 3 中列出的材料中具有最高的電介質(zhì)強(qiáng)度。除了在其他絕緣體中具有最高的電介質(zhì)強(qiáng)度外，SiO2 還是一種無(wú)機(jī)材料，因此在不同濕度和溫度下都非常穩(wěn)定。TI 專(zhuān)有的多層電容器和多層鈍化方法降低了高電壓性能對(duì)任何單層的依賴(lài)性，從而提高了隔離器的質(zhì)量和可靠性。此技術(shù)支持的工作電壓 (VIOWM) 為 2kVRMS，可承受的隔離電壓(VISO) 為 7.5kVRMS，并且具有承受 12.8kVPK 浪涌電壓的能力。
圖 7. TI 高壓隔離 SiO2 電容器的橫截面示例。
隔離器必須具有較長(zhǎng)的使用壽命 – 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)那些非隔離組件，從而保護(hù)電路不受故障的影響。TI 根據(jù)表 2 中所列的IEC 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試。
磁隔離
雖然電容隔離器普遍用于低壓模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)傳輸或需要有限功率傳輸 (<100μW) 的應(yīng)用，但集成式 IC 磁隔離技術(shù)在需要高頻直流/直流電源轉(zhuǎn)換的應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。IC變壓器耦合隔離的一個(gè)特定優(yōu)勢(shì)是可以在大多數(shù)應(yīng)用中傳輸超過(guò)數(shù)百毫瓦的功率，無(wú)需次級(jí)側(cè)偏置電源。也可以使用磁隔離來(lái)發(fā)送高頻信號(hào)。在需要同時(shí)發(fā)送電源和數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中，您可以使用相同的變壓器繞組線(xiàn)圈來(lái)滿(mǎn)足功率和信號(hào)需求，如圖 8 所示。
圖 8. 使用磁隔離通過(guò)隔離柵可靠地發(fā)送電源和信號(hào)。
對(duì)于磁隔離，TI 使用專(zhuān)有多芯片模塊方法，協(xié)同封裝高性能平面變壓器與隔離式功率級(jí)和專(zhuān)用控制器裸片。TI 可以使用高性能鐵氧體磁芯來(lái)構(gòu)建這些變壓器，以提高耦合和變壓器效率，或者在應(yīng)用只需要適度的功率傳輸時(shí)使用空
芯來(lái)節(jié)省成本和降低復(fù)雜性。
圖 9 中的示例展示了雙裸片多芯片模塊，它使用專(zhuān)用控制機(jī)制、時(shí)鐘方案和高 Q 值集成平面變壓器，以便實(shí)現(xiàn)低輻射發(fā)射和高效率同時(shí)提供出色的熱性能。變壓器拓?fù)淇赡馨蛇x的頂部和底部鐵氧體板，利用 TI 的專(zhuān)有薄膜聚合物層壓陣列作為絕緣柵。圖 9 中所示的變壓器配置是夾在兩塊并行鐵氧體板之間的聚合物層壓板內(nèi)包含的變壓器繞組的一個(gè)例子。
圖 9. 磁耦合鍍鐵氧體高性能變壓器。
在許多應(yīng)用中，跨隔離柵所需的功率量適中（低于100mW）。對(duì)于這些應(yīng)用，TI 開(kāi)發(fā)了一種用于制造高性能空芯變壓器的技術(shù)。TI 的空心變壓器類(lèi)似于圖 9 中所示的技術(shù)，但沒(méi)有鐵氧體板。
TI 的所有變壓器（空心和鐵氧體鍍層）均采用屏蔽技術(shù)來(lái)提供更好的輻射 EMI 性能。在封裝級(jí)采用 EMI 緩解技術(shù)，減少了對(duì)旨在滿(mǎn)足傳導(dǎo)和輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)額外的電路板級(jí)濾
波的需求。
單一隔離解決方案可能無(wú)法適合所有應(yīng)用，因此在設(shè)計(jì)權(quán)衡之間作出取舍時(shí)需要了解不同的參數(shù)和規(guī)格。
了解基本的隔離參數(shù)、認(rèn)證以及如何使用每種類(lèi)型的器件進(jìn)行設(shè)計(jì)和故障排除，請(qǐng)觀(guān)看 TI 精密實(shí)驗(yàn)室 – 隔離培訓(xùn)系列。
可靠地滿(mǎn)足隔離需求，同時(shí)縮小解決方案尺寸并降低成本
不同應(yīng)用所需的隔離方法不盡相同。我們來(lái)看幾個(gè)例子，了解 TI IC 如何幫助應(yīng)對(duì)高壓隔離需求，在實(shí)現(xiàn)較高可靠性的同時(shí)減小解決方案尺寸并降低成本。
電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用
電動(dòng)汽車(chē)電池組電壓電平繼續(xù)從 400V 增加到 800V（甚至高達(dá) 1kV），使汽車(chē)制造商能夠減輕重量、增加扭矩、提高效率并加快充電速度。
隔離式半導(dǎo)體使低壓數(shù)字和模擬電路能夠使用高壓電池安全運(yùn)行，同時(shí)達(dá)到所需的電隔離水平。隔離式電壓傳感器、電流傳感器、ADC 和 CAN 收發(fā)器是信號(hào)鏈 IC 的一些示例，它們需要在隔離邊界的兩側(cè)提供低壓直流偏置。
UCC12051-Q1 是一款低壓隔離式直流/直流電源模塊，它利用 TI 的集成磁性層壓板、平面變壓器技術(shù)提供高達(dá)500mW 的 5V 至 5V（或 3.3V）偏置，同時(shí)實(shí)現(xiàn) 5kVRMS隔離。
電池管理系統(tǒng) (BMS) 和牽引逆變器是需要將 800V 域與機(jī)箱隔離的兩個(gè)較關(guān)鍵電動(dòng)汽車(chē)子系統(tǒng)。
BMS 在將高壓電池端子連接到子系統(tǒng)時(shí)使用預(yù)充電電路。5kVRMS TPSI3050-Q1 隔離式開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器取代了機(jī)械預(yù)充電接觸器，形成更小、更可靠的固態(tài)解決方案。為了防止乘客暴露在高壓下，BMS 經(jīng)常監(jiān)測(cè)電池的每個(gè)端子（HV+和 HV-）與金屬機(jī)箱之間的絕緣情況。固態(tài)繼電器（例如TPSI2140-Q1）與電池組監(jiān)測(cè)器（例如 BQ79631-Q1）搭配使用，可比固態(tài)光繼電器更快、更準(zhǔn)確地檢測(cè) 800VBMS 中的絕緣故障。TPSI2140-Q1 支持使用小于 1MΩ 的電阻器，并且承受的雪崩電流比傳統(tǒng)光繼電器多 300%，有助于實(shí)現(xiàn)更安全的人機(jī)交互。
圖 10 所示的框圖是牽引逆變器的示例，其中突出顯示了在三相直流/交流逆變器配置中使用隔離柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)高壓絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 或碳化硅 (SiC) 模塊。這些模塊通常共同封裝多達(dá)六個(gè) IGBT 或 SiC 開(kāi)關(guān)，需要多達(dá)六個(gè)隔離變壓器，為六個(gè)獨(dú)立的柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 供電。為了通過(guò)減少外部變壓器的數(shù)量來(lái)最大限度地減小 PCB 面積，UCC14240-Q1 是一款雙輸出、中壓、隔離式直流/直流電源模塊，可在牽引逆變器、柵極驅(qū)動(dòng)器偏置應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更高的性能。
圖 10. 典型的牽引逆變器方框圖。
UCC14240-Q1 和 UCC12051-Q1 等隔離式直流/直流模塊不限于特定的偏置功能，因此適用于各種電源架構(gòu)。通過(guò)在可擴(kuò)展性方面做出一些犧牲，可以通過(guò)將信號(hào)鏈和電源組合到一個(gè) IC 封裝中來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的集成度。示例包括電源加數(shù)字隔離器 (ISOW7841A-Q1)、電源加 ADC(AMC3336-Q1) 和電源加放大器 (AMC1350-Q1)。
電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用
太陽(yáng)能設(shè)備和電動(dòng)汽車(chē)充電器可以使用 200V 至 1,500V 或更高的電壓。絕緣材料有助于防止這些高壓端子無(wú)意中連接到保護(hù)接地。如果這些絕緣材料開(kāi)始劣化并且暴露的風(fēng)險(xiǎn)增加，則可能發(fā)生大電流故障、爆炸、設(shè)備和財(cái)產(chǎn)損壞或致命事故。
圖 11 顯示了高壓電動(dòng)汽車(chē)充電和太陽(yáng)能中的絕緣監(jiān)測(cè)AFE 參考設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)旨在使用 TPSI2140-Q1 隔離開(kāi)關(guān)和 AMC3330 精密隔離放大器在電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中監(jiān)測(cè)絕緣電阻。由于沒(méi)有移動(dòng)器件，這種固態(tài)繼電器解決方案可以執(zhí)行數(shù)十年的頻繁測(cè)量，而不會(huì)降低性能。這些器件可在高達(dá) 125°C 的高溫下運(yùn)行，而光繼電器等替代技術(shù)通常可在高達(dá) 105°C 的溫度下運(yùn)行。電源和信號(hào)都可以在這些器件中跨隔離傳輸，因此不需要次級(jí)側(cè)偏置電源。由于這些器件采用薄型小尺寸 IC 封裝，因此它們的解決方案尺寸可能比基于光繼電器或機(jī)械繼電器的解決方案小 50%。
能夠在溫度范圍內(nèi)保持精度，因此可以檢測(cè)和監(jiān)控絕緣磨損，并發(fā)出相應(yīng)的警告或故障。
圖 11. 高壓電動(dòng)汽車(chē)充電和太陽(yáng)能中的絕緣監(jiān)測(cè) AFE 參考設(shè)計(jì)方框圖。
太陽(yáng)能串式逆變器和直流快速充電器包含高壓直流/交流和交流/直流電源轉(zhuǎn)換。光伏板輸出可高達(dá) 1,500V，直流快速充電器輸出可高達(dá) 1,000V，具體取決于電動(dòng)汽車(chē)電池組。出于安全原因，這兩個(gè)系統(tǒng)都需要電隔離。
為了在電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電壓和電流控制回路，微控制器需要隔離、快速和準(zhǔn)確的電壓和電流讀數(shù)。AMC3302隔離式放大器和 AMC3306M05 隔離式 ADC 均具有±50mV 輸入范圍，可使用小型分流電阻器來(lái)保持較小的功率損耗和較高的測(cè)量分辨率。
適用于 3 級(jí)電動(dòng)汽車(chē)充電站的雙向雙有源電橋參考設(shè)計(jì)（參閱圖 12）使用 10kW 雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器。峰值功率損耗不到總功率轉(zhuǎn)換的 0.01%。隔離電源無(wú)需在熱端使用低壓電源。該參考設(shè)計(jì)使用 AMC1311 隔離式放大器進(jìn)行電壓感測(cè)，而 UCC21530 隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器和ISO7721 隔離式數(shù)字接口將低壓控制信號(hào)與高壓直流鏈路或直流輸出隔開(kāi)。
圖 12. 雙向、雙有源電橋參考設(shè)計(jì)方框圖。
工廠(chǎng)自動(dòng)化應(yīng)用
可編程邏輯控制器 (PLC) 通過(guò)隔離器傳輸?shù)轿⒖刂破?MCU)，從而處理來(lái)自傳感器或發(fā)送器的數(shù)據(jù)。由于場(chǎng)側(cè)電壓通常為 24V，基本隔離通常足以中斷接地回路。100VRMS 至 500VRMS 的工作電壓和 2.5kVRMS 的隔離電壓足以適用于大多數(shù)低電壓 PLC 應(yīng)用。在這些空間受限的應(yīng)用中，最好采用具有小爬電距離和間隙距離的封裝。
雙通道 24V 至 60V ISO1212 數(shù)字輸入接收器旨在通過(guò)將精確的電流限制、保護(hù)電路和隔離集成在一個(gè)封裝中來(lái)幫助簡(jiǎn)化和改進(jìn) PLC 數(shù)字輸入設(shè)計(jì)，從而減少元件數(shù)量并提高性能。它還通過(guò)集成壽命較長(zhǎng)的 SiO2 隔離柵和降低系統(tǒng)板溫度來(lái)提高可靠性。
低于 1W、16 通道、隔離式數(shù)字輸入模塊參考設(shè)計(jì)可以承受符合 IEC 6100-4-2 標(biāo)準(zhǔn)的靜電放電、電氣快速瞬變和浪涌事件，同時(shí)使用小于 1W 的總輸入功率。每個(gè)通道可承受高達(dá) ±60V 的輸入電壓。
在圖 13 所示的 PLC 數(shù)字輸入模塊中，串行器和隔離器的場(chǎng)側(cè)需要使用 5V 或 3.3V 電源供電。具有集成電源的隔離式電源或數(shù)字隔離器從 MCU 側(cè)提供所需的偏置，從而在場(chǎng)側(cè)無(wú)需使用單獨(dú)的電源。PLC 模擬輸入模塊通過(guò)模擬輸入前端處理信號(hào)，通過(guò) ISO7741 等數(shù)字隔離器，然后進(jìn)入MCU。
圖 13. 帶隔離式數(shù)據(jù)和電源的 PLC 數(shù)字輸入模塊。
工廠(chǎng)自動(dòng)化的另一個(gè)挑戰(zhàn)涉及現(xiàn)場(chǎng)變送器的隔離。由于整個(gè)系統(tǒng)采用 4mA 至 20mA 供電電流，因此零標(biāo)度值決定了系統(tǒng)的最大預(yù)算，通常小于 3.3mA。
在以往的隔離解決方案中，每個(gè)通道可消耗 500μA 至1mA 的電流，迫使設(shè)計(jì)人員盡可能減少跨隔離柵的通信線(xiàn)路數(shù)量，或減慢數(shù)據(jù)傳輸速度。ISO7041 系列在小型封裝中集成了兩到四個(gè)超低功耗數(shù)字隔離器通道，同時(shí)每個(gè)通道的功耗低至 3.5μA，數(shù)據(jù)速率高達(dá) 4Mbps，溫度范圍為–55°C 至 125°C，以及 TI 的 SiO2 絕緣電介質(zhì)的穩(wěn)定性和可靠性?xún)?yōu)勢(shì)。適用于低功耗應(yīng)用的隔離式電源和數(shù)據(jù)接口參考設(shè)計(jì)顯示了 ISO7041 在 4mA 至 20mA 發(fā)送器應(yīng)用中的應(yīng)用。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用
如圖 14 所示，電機(jī)驅(qū)動(dòng)從交流電源獲取電力，將其整流為直流電壓，然后根據(jù)負(fù)載需求將直流轉(zhuǎn)換回具有可變幅度和頻率的交流。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通常通過(guò)隔離的半導(dǎo)體元件在電源和控制電路之間具有隔離柵。隔離式放大器或調(diào)制器測(cè)量并隔離來(lái)自
電源電路的電流和電壓反饋信號(hào)。隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器可在產(chǎn)生脈寬調(diào)制 (PWM) 控制信號(hào)的 MCU 和 IGBT 等功率晶體管之間提供隔離。隔離比較器會(huì)檢查任何過(guò)流、過(guò)壓或過(guò)熱情況，并向 MCU 提供故障信號(hào)。帶有數(shù)字隔離器的可選接口隔離有助于滿(mǎn)足任何額外的系統(tǒng)安全要求。
對(duì)于電隔離電機(jī)驅(qū)動(dòng)器而言，盡可能降低電源和控制電路之間的噪聲干擾并確保操作人員的安全非常重要。現(xiàn)代電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還必須滿(mǎn)足 IEC 61800-5-1 安全標(biāo)準(zhǔn)。
提高電流和電壓反饋回路的測(cè)量精度有助于更大限度地減少扭矩紋波，并為電機(jī)提供平滑的速度和扭矩電流曲線(xiàn)。
隔離式放大器（例如 AMC1300 和 AMC1311B）以及隔離式調(diào)制器（例如 AMC1306M25 和 AMC1336）支持具有高 CMTI 的精確電流和電壓測(cè)量，從而提高系統(tǒng)可靠性并減少噪聲耦合。
圖 14. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方框圖
結(jié)論
在工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用中，隔離通過(guò)保護(hù)低電壓電路免受高電壓故障影響和通過(guò)中斷接地回路來(lái)保持信號(hào)完整性，從而實(shí)現(xiàn)不同電壓域之間的通信。對(duì)于可用于隔離的不同電介質(zhì)材料，TI 電容隔離器中所使用 SiO2 電介質(zhì)的使用壽命在業(yè)內(nèi)位居前列，而且它可在不同濕度和溫度下保持穩(wěn)定。TI 的集成式變壓器技術(shù)支持高密度隔離式直流/直流電源轉(zhuǎn)換，同時(shí)可降低 EMI。
憑借低傳播延遲、高 CMTI 和更短的上升和下降時(shí)間，隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)更高的 PWM 頻率和極小的開(kāi)關(guān)損耗，使設(shè)計(jì)人員更容易在其電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中采用 SiC 和氮化鎵 (GaN) 晶體管。為了在容錯(cuò)系統(tǒng)中進(jìn)行準(zhǔn)確和快速的故障檢測(cè)，AMC23C12 系列增強(qiáng)型隔離比較器提供了一種具有成本效益的解決方案，具有 <3% 的精度、<400ns 的延遲以及高達(dá) 50% 的空間和材料清單 (BOM) 縮減。
具有集成互鎖和低 EMI 的數(shù)字隔離器（例如 ISO6760L）可確保在電源和控制電路之間或（可選）MCU 和接口之間以高信號(hào)完整性傳輸數(shù)字信號(hào)。基于隔離式 Δ-Σ 調(diào)制器的交流/直流電壓和電流測(cè)量模塊參考設(shè)計(jì)提供了一種成本優(yōu)化且高度可靠的解決方案，可實(shí)現(xiàn)低于 1% 的隔離電流和電壓測(cè)量精度。
TI 的信號(hào)和電源隔離器產(chǎn)品系列可幫助工程師確保符合嚴(yán)格的隔離系統(tǒng)要求。
（來(lái)源：電子創(chuàng)新網(wǎng)，作者：TI）
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