新型Si838x數(shù)字隔離器的特性及提升PLC效能

工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展熱潮正不斷升溫，尤其是在可確保設(shè)備安全性和可靠性的隔離設(shè)計(jì)方面上更是涌現(xiàn)了巨量的設(shè)計(jì)需求，引來(lái)可觀的商機(jī)。

工業(yè)自動(dòng)化四大技術(shù)挑戰(zhàn)

為了協(xié)助業(yè)界人士加速實(shí)現(xiàn)相關(guān)解決方案，本文除針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化目標(biāo)市場(chǎng)的隔離應(yīng)用，專注于可編程邏輯控制器（PLC）和工廠自動(dòng)化的發(fā)展進(jìn)行詳細(xì)的市場(chǎng)與技術(shù)分析外，也詳細(xì)說明了新型互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）數(shù)字隔離器相較于傳統(tǒng)光耦合隔離方案對(duì)工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用所帶來(lái)的顯著優(yōu)勢(shì)。

工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展道路上，所包含的許多技術(shù)挑戰(zhàn)包括：

第一：設(shè)備安全無(wú)法妥協(xié)

． 安全功能至關(guān)重要。

． 產(chǎn)品在高應(yīng)力下性能必須穩(wěn)定。

第二：高噪聲環(huán)境中的正常工作

． 工廠外部電／磁場(chǎng)的抗干擾性高。

． 高電壓瞬變?cè)肼暤目垢蓴_能力強(qiáng)。

第三：產(chǎn)品使用壽命長(zhǎng)

． 整個(gè)溫度范圍，不同VDD電壓，以及長(zhǎng)期使用時(shí)，關(guān)鍵參數(shù)必須穩(wěn)定。

． 在高應(yīng)力下產(chǎn)品使用壽命長(zhǎng)。

第四：高性能

． 產(chǎn)品性能必須世界頂尖。

． 低延遲和低延遲偏差以確保高效率和吞吐量。

基于上述的技術(shù)挑戰(zhàn)，適用于工業(yè)自動(dòng)化的高性能隔離產(chǎn)品也必須是高安全，高抗干擾性與長(zhǎng)壽命。 工廠存在很多高壓設(shè)備，透過隔離方案不僅能保護(hù)電子系統(tǒng)和人員，也能抑制噪聲以確保設(shè)備的可靠度和穩(wěn)定性。 隨著工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用對(duì)相關(guān)設(shè)備的性能要求提升，內(nèi)建隔離技術(shù)也開始發(fā)生轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的隔離使用光耦合技術(shù)，由于先天的特性逐漸難以滿足工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)需求，包括可靠性較差、時(shí)序特性不佳、無(wú)余裕的共模瞬態(tài)噪聲免疫（CMTI）、能源效率低等，使業(yè)界開始將目光移至新型的CMOS電容耦合數(shù)字隔離器方案。

使用差分電容耦合技術(shù) CMOS數(shù)字隔離器展高效

CMOS數(shù)字隔離器采用開關(guān)鍵控調(diào)制技術(shù)的CMOS設(shè)計(jì)，并使用差分電容耦合，可以達(dá)成高可靠度和穩(wěn)定性，不會(huì)隨溫度、工作電壓和產(chǎn)品壽命而改變，另外還具備卓越的時(shí)序特性，包括低傳輸延時(shí)、低傳輸延遲偏差等。 更重要的是，CMOS數(shù)字隔離器具有高共模瞬態(tài)噪聲免疫（CMTI），而且相對(duì)于光耦，只需要較小的功率，因此可以降低總體系統(tǒng)功耗。 圖1及圖2為傳統(tǒng)光耦和CMOS數(shù)字隔離方案的比較。

圖1 傳統(tǒng)光耦隔離方案特性

圖2 新型CMOS數(shù)字隔離方案特性

新型數(shù)字隔離器提升PLC效能

其中，針對(duì)工業(yè)機(jī)器控制和制程的自動(dòng)化，性能優(yōu)異的可編程邏輯控制器（PLC）是一大關(guān)鍵。 以芯科實(shí)驗(yàn)室（Silicon Labs）為例，為因應(yīng)此一情況，該公司近期推出首款高速、多信道數(shù)字隔離器，便是鎖定PLC的應(yīng)用需求。 新型Si838x數(shù)字隔離器（圖3）可為工廠自動(dòng)化PLC提供優(yōu)于光電耦合器的性能和使用壽命，其特性包含高速信道（高達(dá)2Mbit／s）、高信道整合度（每個(gè)設(shè)備最高可達(dá)八個(gè)信道）、雙極輸入彈性、高抗干擾性和2．5KVrms安全隔離等級(jí)。 此外，該產(chǎn)品適用于分布式過程控制系統(tǒng)中的可程序自動(dòng)化控制器（PAC）。

圖3 Si838x數(shù)字隔離器有效解決PLC設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

PLC廣泛部署在惡劣的工廠車間環(huán)境中，因此必須兼具可靠和精小特性。 許多PLC設(shè)計(jì)規(guī)?？蛇_(dá)一百二十八個(gè)信道，并且有多個(gè)高速輸入。 盡管光電耦合器已經(jīng)在過去幾十年中提供了默認(rèn)隔離解決方案，但是它們也使得PLC設(shè)計(jì)人員面臨極大挑戰(zhàn)。 由于缺乏高速能力，光電耦合器無(wú)法滿足高性能PLC應(yīng)用，例如伺服電機(jī)控制。

光電耦合器也缺乏高噪聲抑制能力，并且其性能會(huì)隨時(shí)間和溫度變化而下降，因此在高溫工業(yè)應(yīng)用中會(huì)帶來(lái)可靠性風(fēng)險(xiǎn)。 然而，上述提到的Si838x系列可克服這些挑戰(zhàn)，其于精小QSOP封裝中提供了彈性、高速、多信道的雙極性隔離解決方案，相較于基于光電耦合器的解決方案，可提供更長(zhǎng)的使用壽命和更高的可靠性。

隔離閘極驅(qū)動(dòng)器可確實(shí)保護(hù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用／逆變器

另一方面，工業(yè)自動(dòng)化對(duì)電機(jī)控制的要求也持續(xù)提高，這是由于AC交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分有多級(jí)是透過絕緣閘雙極晶體管（IGBT）給電機(jī)提供電能，必須透過高性能的隔離閘極驅(qū)動(dòng)器為系統(tǒng)提供保護(hù)功能、并提供電流／電壓回饋用于環(huán)路控制。 業(yè)界人士選用驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵指針包括兩點(diǎn)，整合IGBT保護(hù)特性、低延遲、高噪聲免疫和支持寬廣工作溫度范圍；而對(duì)于電流感應(yīng)的關(guān)鍵需求則是具備高噪聲免疫、低延遲、工作溫度范圍內(nèi)的高精準(zhǔn)度。

基于上述市場(chǎng)需求，再以Silicon Labs為例，該公司也發(fā)表了新一代Si828x ISOdriver隔離閘極驅(qū)動(dòng)器系列（圖4），為逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用提供保護(hù)。 該產(chǎn)品旨在保護(hù)電源逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中敏感的IGBT，提供了工業(yè)級(jí)的隔離等級(jí)（5kVrms）和較佳的特性整合：包括可選的DC－DC轉(zhuǎn)換器、較快的去飽和檢測(cè)、良好的計(jì)時(shí)特性，以及較佳的噪聲和瞬變抑制能力。

圖4 高整合度的Si828x降低了電機(jī)控制設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

另一方面，由于其中的許多系統(tǒng)工作時(shí)間預(yù)期要超過25年，并且運(yùn)行環(huán)境惡劣，而隔離器可能成為這些系統(tǒng)中首要的故障點(diǎn)和壽命限制組件。 傳統(tǒng)的基于光耦的隔離器受到工作溫度范圍、噪聲干擾和產(chǎn)品壽命的極大限制，而該系列隔離閘極驅(qū)動(dòng)器采用基于Silicon Labs旗下的CMOS隔離技術(shù)，能夠在整個(gè)工業(yè)溫度范圍內(nèi)工作，支持長(zhǎng)達(dá)100年的產(chǎn)品使用壽命，同時(shí)能滿足嚴(yán)格的UL、VDE、CQC和CSA標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而為工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、太陽(yáng)能逆變器、高壓電源轉(zhuǎn)換器、不間斷電源，以及暖氣 、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)（HVAC）壓縮機(jī)控制提供理想的解決方案。

為因應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化，除了上述提到的數(shù)字隔離解決方案之外，用戶還可運(yùn)用其他隔離產(chǎn)品，如包括針對(duì)電源隔離的數(shù)字隔離器、可提升開關(guān)電源安全性的驅(qū)動(dòng)器，以及能夠準(zhǔn)確測(cè)量高電壓系統(tǒng)電流的隔離放大器等等；另外，完善的評(píng)估套件和開發(fā)工具，也能為工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備開發(fā)人員提供了完整的隔離技術(shù)支持。