如何在高壓系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電源和信號(hào)線的電氣隔離

介紹

在一系列高壓應(yīng)用中存在電源和信號(hào)線的情況下，需要為設(shè)備和用戶提供強(qiáng)大的保護(hù)，包括工廠自動(dòng)化和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等工業(yè)4.0 系統(tǒng)。這延伸到汽車和電動(dòng)汽車 (EV)、醫(yī)療系統(tǒng)、測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用以及光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施等綠色能源系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)這種保護(hù)，需要某種形式的隔離。

設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是確保隔離機(jī)制緊湊、高效且具有成本效益，同時(shí)支持雙向信號(hào)傳輸和功率傳輸。由于隔離機(jī)制必須為操作員提供高壓保護(hù)并確保可靠的系統(tǒng)運(yùn)行，因此隔離設(shè)備必須符合國際電工委員會(huì)(IEC) 60747-5 和 IEC 60747-17 等標(biāo)準(zhǔn)。

使用光耦合器或變壓器進(jìn)行電流隔離的傳統(tǒng)方法可以滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)，但在某些應(yīng)用中存在局限性。為了更可靠地滿足設(shè)備和用戶保護(hù)要求，同時(shí)提供雙向信號(hào)傳輸，需要使用電容和磁性技術(shù)進(jìn)行電氣隔離。

本文簡要介紹電流隔離。然后，它回顧了IEC標(biāo)準(zhǔn)，并研究了如何使用集成電容和磁性技術(shù)實(shí)現(xiàn)電流隔離。它展示了電流隔離解決方案示例，其應(yīng)用包括結(jié)合電容和磁性技術(shù)的通用隔離器。還討論了加快設(shè)計(jì)過程的評(píng)估板。

電流隔離的作用

電流隔離可防止電流在電子或電氣系統(tǒng)的功能部分之間流動(dòng)，但支持在部分之間傳輸模擬和數(shù)字信號(hào)以及電源(圖1)。電流隔離可用于：

1.連接具有不同接地電位的功能部分

2.通過停止共享接地的功能部分之間的電流來斷開接地環(huán)路

3.保護(hù)操作員免受高壓路段的電擊危險(xiǎn)

4.電流隔離圖像允許數(shù)據(jù)和/或功率流

圖1：電流隔離允許數(shù)據(jù)和/或功率流動(dòng)，但隔離部分之間沒有接地電流。

隔離類型和選擇

有幾種隔離類型可供選擇，并且有不同的國際標(biāo)準(zhǔn)來管理其使用，例如用于磁性和電容隔離的IEC 60747-17以及用于光耦合器的IEC 60747-5-5(表1)。

1.功能或操作隔離可確保系統(tǒng)正常運(yùn)行，但不能保護(hù)用戶免受高壓影響。它不在安全法規(guī)的涵蓋范圍內(nèi)。

2. 基本隔離是安全法規(guī)中包含的最簡單的隔離形式。它可以保護(hù)用戶免受電擊，但如果發(fā)生故障，用戶仍可能暴露在高壓下。

3. 補(bǔ)充隔離在基本隔離的基礎(chǔ)上增加了一層。如果基本隔離失效，它可以保護(hù)用戶免受高壓的影響。

4. 雙重隔離不是一種單獨(dú)的隔離類型。它指的是使用基本隔離和補(bǔ)充隔離。但是，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)和安全文件將雙重隔離稱為一種隔離類型。

5.加強(qiáng)隔離是一種單一隔離系統(tǒng)，可提供相當(dāng)于雙重隔離的保護(hù)。加強(qiáng)隔離的性能和測(cè)試要求比基本或補(bǔ)充隔離方法更嚴(yán)格。

表1：強(qiáng)化隔離的測(cè)試和操作要求比基本隔離要求更高。

雖然光耦合器廣泛用于電氣隔離目的，但它們只能用于信號(hào)線，它們往往效率低下，只能沿一個(gè)方向發(fā)送數(shù)據(jù)，并且有帶寬限制。光耦合器帶寬可以通過增加LED驅(qū)動(dòng)電路和放大器來提高，但這會(huì)導(dǎo)致更高的成本和更高的能耗。使用變壓器提供磁隔離可以為電源和高速信號(hào)線提供有效的解決方案，但分立變壓器體積大且成本高昂。

為了可靠、更有效地滿足電流隔離的需求，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向符合IEC隔離標(biāo)準(zhǔn)的集成電容和磁性解決方案。電容隔離器支持模擬信號(hào)和高速雙向數(shù)據(jù)傳輸，但功率傳輸能力有限。集成磁隔離可以支持高速數(shù)據(jù)的雙向傳輸和更高功率水平的傳輸。

隔離特性

隔離電壓、工作電壓和共模瞬變抗擾度(CMTI)是隔離器的三個(gè)關(guān)鍵特性。隔離電壓是指隔離器可以在短時(shí)間內(nèi)保護(hù)免受危險(xiǎn)電壓影響的最大電壓。工作電壓是隔離器設(shè)計(jì)使用的長期電壓。

CMTI是施加在兩個(gè)隔離電路之間的公共電壓瞬變的最大壓擺率(頻率)，可以承受，而不會(huì)對(duì)跨越隔離柵的數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生不利影響。CMTI 以千伏/微秒 (kV/μs) 或伏特/納秒 (V/ns) 為單位。隔離接地層之間的電容是瞬態(tài)能量穿過勢(shì)壘并破壞數(shù)據(jù)或波形的路徑。高CMTI表示系統(tǒng)堅(jiān)固耐用，即使暴露于快速瞬態(tài)事件，兩側(cè)也能在規(guī)格范圍內(nèi)運(yùn)行。低 CMTI 會(huì)導(dǎo)致失真、信息缺失、抖動(dòng)和其他信號(hào)完整性問題。CMTI為100 V/ns或更高表示高性能隔離器。

除電氣規(guī)格外，隔離器還必須滿足與電氣間隙和爬電距離相關(guān)的機(jī)械要求。間隙是相鄰導(dǎo)體之間通過空氣的距離，而爬電距離是它們之間穿過封裝表面的距離。

各種封裝樣式和尺寸提供不同級(jí)別的爬電距離和電氣間隙性能。模塑料的選擇和使用具有所需介電強(qiáng)度的絕緣體材料也是決定隔離額定值的因素。常用材料的介電強(qiáng)度為：

1.空氣≈每微米 1 伏均方根 (V有效值/微米)

2.環(huán)氧樹脂≈ 20 V有效值/微米

3.≈ 100 V 的二氧化硅填充模塑料有效值/微米

4.聚酰亞胺聚合物≈ 300 V有效值/微米

5.二氧化硅(SiO2) ≈ 500 V有效值/微米

電流隔離技術(shù)

光耦合器使用LED通過介電絕緣體將模擬或數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)?a target="_blank">光電晶體管。如前所述，它們是單向設(shè)備。光耦合器中常用的絕緣材料包括空氣、環(huán)氧樹脂或模塑料。由于這些材料的介電強(qiáng)度相對(duì)較低，因此LED和光電晶體管之間需要更大的物理距離才能達(dá)到給定的隔離水平。

電容隔離使用SiO2 絕緣柵。與大多數(shù)環(huán)氧樹脂或模塑料相比，SiO2 具有高介電強(qiáng)度，在暴露于極端溫度的水分時(shí)更穩(wěn)定。電容隔離使用各種調(diào)制技術(shù)，如開關(guān)鍵控或相移鍵控，以跨越柵傳輸交流信號(hào)。電容隔離可以很緊湊，可以雙向傳輸高速信號(hào)，但功率傳輸能力非常有限，通常為 <100 微瓦 (μW)。

磁隔離器可以跨越隔離柵傳輸信號(hào)和電源。其中一些隔離器可以傳輸數(shù)百毫瓦(mW)的功率，并可以取代次級(jí)側(cè)偏置電源。磁隔離器可以使用空氣芯或鐵氧體磁芯。鐵氧體磁芯可以處理更大的功率。當(dāng)功率需求低于約100 mW時(shí)，空氣核心可以提供成本更低、更簡單的解決方案。這三種技術(shù)中的每一種都支持信號(hào)和電力傳輸?shù)牟煌M合(圖 2)。

圖2：光耦合器(A) 只能傳輸信號(hào)，電容隔離器

圖2：光耦合器(B)可以傳輸有限量的功率和信號(hào)，磁隔離器

圖2：光耦合器 (C) 可以處理更高的功率電平和信號(hào)。

電源和信號(hào)隔離

需要高達(dá)650 mW 的隔離電源和四個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn) 100 兆比特每秒 (Mbps) 傳輸速率的隔離信號(hào).該通用器件的隔離額定值為5 kV 均方根 (kV有效值)和最小 CMTI ±100 kV/μs。它在信號(hào)通道上使用 SiO2 隔離，對(duì)片上電源變壓器使用薄膜聚合物隔離(圖 3)。

圖3：ISOW7841FDWER 在電源變壓器中使用聚合物絕緣(頂部)，在信號(hào)鏈中使用 SiO2 隔離電容器(底部)

隔離式汽車直流/直流

需要500 mW 和 5 kV 的汽車系統(tǒng)有效值隔離可以使用德州儀器的AEC-Q100認(rèn)證UCC12051QDVERQ1。

其最小CMTI 為 100 V/ns，浪涌能力為 10 kV峰，工作電壓為 1.2 kV有效值.它對(duì)內(nèi)部振蕩器使用擴(kuò)頻調(diào)制，并優(yōu)化內(nèi)部布局以最大限度地減少輻射發(fā)射。它包括欠壓鎖定、熱關(guān)斷、使能引腳、同步功能，并提供 5.0 或 3.3 V 直流 (VDC) 輸出。

UCC12050EVM-022 評(píng)估板使設(shè)計(jì)人員能夠測(cè)試使能/禁用功能、同步至外部時(shí)鐘源、檢測(cè)外部時(shí)鐘故障以及選擇輸出電壓。它具有用于紋波和瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)量的測(cè)試點(diǎn)。該板可以作為支持額定隔離并提供良好電磁干擾 (EMI) 性能的布局示例來簡化系統(tǒng)集成(圖 4)。

圖4：除了加快 UCC12051QDVERQ1 隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 IC 的評(píng)估外，UCC12050EVM-022 評(píng)估板還提供了系統(tǒng)集成的建議布局。

具有電容隔離的CAN收發(fā)器

對(duì)于需要具有1 Mbps 信號(hào)和 50 kV/μs CMTI 的控制器局域網(wǎng) (CAN) 收發(fā)器的應(yīng)用，德州儀器 (TI) 提供隔離額定值為 5 kV 的 ISO1050DWR有效值，以及額定電壓為 2.5 kV 的 ISO1050DUB有效值.這些收發(fā)器符合 ISO 11898-2 的高速 CAN 操作規(guī)范(圖 5)。

它們的額定工作溫度范圍為-55 至 105 攝氏度 (°C)，包括 -27 至 40 V 的過壓、交叉導(dǎo)線和接地保護(hù)丟失、過熱關(guān)斷和 -12 至 +12 V 共模范圍。

圖5：隔離式 ISO1050DWR 和 ISO1050DUB 收發(fā)器符合高速 CAN 操作的 ISO 11898-2 標(biāo)準(zhǔn)。

ISO1050EVM 評(píng)估模塊具有輸入和輸出連接以及用于關(guān)鍵性能測(cè)量的測(cè)試點(diǎn)，可以加快這些器件與汽車系統(tǒng)的集成。

隔離式RS-485/RS-422收發(fā)器

需要500 kbps (kbps) RS-485/RS-422 收發(fā)器的系統(tǒng)有效值隔離可以選擇德州儀器的半雙工ISO1410BDWR或全雙工ISO1412BDWR(圖6)。SiO2隔離柵支持在存在較大接地電位差的情況下進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

這些收發(fā)器的額定工作溫度范圍為-40 至 125 °C。 總線引腳設(shè)計(jì)用于承受高水平的靜電放電 (ESD) 和電氣快速瞬變 (EFT) 事件，無需額外的保護(hù)組件。

圖6：全雙工 ISO1412BDWR(頂部)和半雙工 ISO1410BDWR(底部)支持 500 kbps 數(shù)據(jù)速率，具有 5 kV有效值隔離(垂直虛線)。

設(shè)計(jì)人員可以使用ISO1410DWEVM 和 ISO1412DWEVM 評(píng)估板來評(píng)估各種系統(tǒng)參數(shù)?？梢詰?yīng)用測(cè)試信號(hào)和序列，并評(píng)估傳播延遲、功耗以及不同的總線和驅(qū)動(dòng)器條件等性能特征。

結(jié)論

高壓工業(yè)4.0、汽車、醫(yī)療、綠色能源和其他系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員需要電氣隔離來保護(hù)設(shè)備和用戶，同時(shí)滿足尺寸、成本和可靠性要求以及相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)。如圖所示，電源和信號(hào)線中的電容和磁電流隔離可以產(chǎn)生緊湊的高性能解決方案。這些隔離技術(shù)具有高CMTI，符合IEC 60747-17對(duì)加強(qiáng)隔離的要求。

審核編輯：湯梓紅