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隨著能源需求的擴(kuò)大，電流和電壓值也會(huì)上升。在許多應(yīng)用中，更高的電壓變得更為常見，即使在獨(dú)立應(yīng)用中也是如此。具有更高電壓的應(yīng)用都被認(rèn)為存在危險(xiǎn)，包括電動(dòng)汽車 (EV)，能源基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用，例如直流快速充電 (DCFC)、太陽能、儲(chǔ)能和不間斷電源 (UPS)。
在與高壓設(shè)備進(jìn)行人機(jī)交互時(shí)，電流隔離是必要的，并由安全標(biāo)準(zhǔn)定義，以確保安全運(yùn)行。創(chuàng)建隔離有多種方法，具體選擇哪種取決于應(yīng)用、技術(shù)要求或適用標(biāo)準(zhǔn)。這篇技術(shù)文章將探討不同的方法，并討論如何為應(yīng)用選擇合適的方法。
什么是隔離？
通常稱為“電氣隔離”，意思是沒有金屬接觸，目的是隔離功能部分或電氣電子電路，以防止電流在它們之間流動(dòng)。
圖1.電氣隔離原理
隔離的主要原因之一是保障安全；當(dāng)人員可能與供電設(shè)備交互時(shí)，這一點(diǎn)尤為重要。提供適當(dāng)?shù)母綦x可確保任何用戶，即使在發(fā)生嚴(yán)重故障的情況下，也不會(huì)接觸到危險(xiǎn)電壓。
隔離通常由適用于應(yīng)用的安全標(biāo)準(zhǔn)定義。該定義可能只涉及擊穿電壓，也可能包括對(duì)物理隔離（“爬電距離和間隙”）的要求。
除了保護(hù)用戶，隔離還可以分開電路的低壓 (LV) 和高壓 (HV) 部分，并在過濾共模噪聲方面發(fā)揮作用。由于沒有金屬傳導(dǎo)路徑，接地電流無法循環(huán)，從而消除了隔離電路中與接地環(huán)路相關(guān)的噪聲。
除了保護(hù)人員，隔離還可以保護(hù)高價(jià)值電路元件和子系統(tǒng)免受電路其他區(qū)域的災(zāi)難性故障造成的損壞。
隔離的方法
雖然隔離使不同的電路部分保持分離，但信號(hào)需要跨越隔離邊界，因此需要使用諸如光耦合器或者數(shù)字隔離器，在保持隔離等級(jí)的同時(shí)允許傳輸信號(hào)。
最常見的方法是使用一個(gè)集成了LED和光敏晶體管的光耦合器。這項(xiàng)技術(shù)已有50多年歷史，并繼續(xù)在隔離器件市場占據(jù)主導(dǎo)地位，份額約為85%。
數(shù)字隔離器可以是磁性的或電容性的，雖然這些技術(shù)相對(duì)較新，但售出的隔離器件中大約有七分之一是數(shù)字隔離器。它們?cè)谔囟☉?yīng)用（尤其是汽車）中特別有價(jià)值，這些領(lǐng)域的增長將使得數(shù)字隔離器在未來占有更大的市場份額。
各種隔離技術(shù)的比較
每種技術(shù)因性能和價(jià)格各異，適合的應(yīng)用領(lǐng)域也有所不同。
“傳統(tǒng)”光耦合器器件使用環(huán)氧樹脂或硅凝膠提供>400μm的相對(duì)穩(wěn)健的隔離距離 (DTI)，符合EN 60950的要求。然而，隨著時(shí)間的推移，這些器件的運(yùn)行和性能會(huì)相對(duì)下降，并且溫度不穩(wěn)定。它們的預(yù)期壽命也相對(duì)較短，約為10年，并且很少有符合車規(guī) AEC 標(biāo)準(zhǔn)的。
圖2.隔離技術(shù)概述
光耦合器通常不太適合多通道設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@需要很大的空間。然而，從積極的方面來說，光耦合器由于使用光來傳輸，因此沒有 EMI/EMC 問題，并且它們不需要調(diào)制信號(hào)，從而降低了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，同時(shí)節(jié)省了空間和成本。
兩種片上數(shù)字技術(shù)（磁性和電容性）的性能相似。明顯的區(qū)別在于，磁性器件使用磁場通過20μm聚酰亞胺絕緣體傳遞信號(hào)，而電容式器件使用電場穿過SiO2隔離屏障。
隨著時(shí)間和溫度的變化，這兩種數(shù)字技術(shù)都能帶來更快的傳播和性能，預(yù)期壽命約為20年，是光耦合器的兩倍。它們還提供更高的共模瞬變抗擾度 (CMTI)，在100kV/μs左右。
不利的一面是，數(shù)字器件的DTI僅為20μm 左右，無法滿足EN60950的要求。它們還需要信號(hào)調(diào)制，因?yàn)樗鼈儾荒芡ㄟ^DC，并且在使用這些器件時(shí)必須考慮EMC/EMI的設(shè)計(jì)。
安森美 (onsemi) 的Digi-Max?技術(shù)提供了一種獨(dú)特的數(shù)字隔離器類型，稱為片外電容式。它使用500μm的陶瓷基板作為電容器，將其與初級(jí)和次級(jí)芯片分開，因此稱為“片外”。金屬層沉積在陶瓷基板的兩邊以構(gòu)建電容器，提供 0.5 mm 的隔離距離。通常，兩組電容器用于差模通信，以幫助消除共模噪聲。
圖3.片外數(shù)字隔離器在單獨(dú)的陶瓷基板上構(gòu)建電容器，具有多種優(yōu)勢
片外隔離器的工作原理與片上解決方案類似。使用開關(guān)鍵控 (OOK)，這樣當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，施加到電容器的信號(hào)不會(huì)被調(diào)制，因此輸出保持低電平。當(dāng)輸入為高電平時(shí)，調(diào)制信號(hào)通過電容器，導(dǎo)致輸出上升。
圖4.數(shù)字隔離器使用開關(guān)鍵控 (OOK) 跨隔離邊界傳輸信號(hào)
Digi-Max技術(shù)在電容器上多路復(fù)用數(shù)據(jù)，因此多通道并行數(shù)據(jù)可以作為串行數(shù)據(jù)流傳輸。這免去了使用多個(gè)電容器的需要，從而減小了解決方案的尺寸。
故障防護(hù)操作
就本質(zhì)而言，隔離器件在使用過程中可能會(huì)遇到電氣過載 (EOS)。然而，關(guān)鍵的考慮因素是它們是否仍然安全。為了說明這一點(diǎn)，我們將兩個(gè)器件（一個(gè)安森美Digi-Max隔離器和類似的競品器件）都暴露在 VDD 和接地端之間的擊穿限制電壓下。
正如預(yù)期的那樣，兩個(gè)器件都失效了。然而，在開封之前，它們都經(jīng)過了絕緣測試。競品器件在大約2.76kV時(shí)失效，而安森美的Digi-Max數(shù)字隔離器在60秒內(nèi)保持了數(shù)據(jù)表中標(biāo)定的5kV性能。這清楚地表明，使用Digi-Max，即使在發(fā)生嚴(yán)重的EOS事件后，隔離屏障仍然完好無損，即使出現(xiàn)功能故障，保護(hù)仍然存在。
為什么使用陶瓷材料？
片外使用陶瓷材料來制造電容器，作為隔離屏障和信號(hào)傳輸介質(zhì)，使用開關(guān)鍵控 (OOK) 技術(shù)從一端傳輸信號(hào)到另一端。
在 EOS/ESD 損壞其中一個(gè) IC 的情況下，片外隔離結(jié)構(gòu)使用陶瓷材料保護(hù)絕緣屏障。
使用陶瓷材料制作隔離電容器有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。陶瓷材料是良好的電絕緣體和熱絕緣體，具有較低的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。火焰從初級(jí)側(cè)傳播到次級(jí)側(cè)幾乎是不可能的，因?yàn)樘沾刹牧暇哂懈呷埸c(diǎn)并且耐熱。它們經(jīng)久耐用，具有相當(dāng)出色的耐用性、硬度和強(qiáng)度。陶瓷具有化學(xué)惰性，因此不會(huì)與其他化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。簡而言之，在制造隔離電容器時(shí)，沒有任何材料可以與 SiO2 材料相媲美。
使用哪種技術(shù)？
如果只需要單通道或雙通道解決方案，光耦合器通常是理想解決方案。如果需要輕松滿足 EMC 要求，或成本是關(guān)鍵考慮因素，光耦合器也是理想選擇。
但是，如果應(yīng)用需要較長的使用壽命（>10 年），或隨時(shí)間和溫度的變化保持穩(wěn)定性能，則數(shù)字隔離器是理想技術(shù)。它們也更適合高通道數(shù)應(yīng)用和需要雙向通信的應(yīng)用。由于很少有光隔離器符合 AEC 標(biāo)準(zhǔn)，因此幾乎所有汽車隔離器都是數(shù)字隔離器。
Digi-Max 技術(shù)提供與其他數(shù)字隔離器一樣的各種性能優(yōu)勢和特性，而且不會(huì)因 EOS 事件發(fā)生安全故障。此外，由于獨(dú)特的電容器結(jié)構(gòu)，它還可以提供與光耦合器器件相同水平的可靠性。
圖5.技術(shù)總結(jié)
隔離是許多設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵方面，并且與許多技術(shù)一樣，設(shè)計(jì)人員有多種選擇。盡管光耦合器已經(jīng)存在了很長時(shí)間，但它有一些局限性，尤其是在汽車應(yīng)用中。如今的數(shù)字隔離器克服了許多這些問題并符合AEC標(biāo)準(zhǔn)。
憑借獨(dú)特的片外結(jié)構(gòu)，安森美的Digi-Max數(shù)字隔離器 為設(shè)計(jì)人員提供了另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢，即使在發(fā)生災(zāi)難性EOS事件后也能保持原有的隔離等級(jí)。
下載ECAD模型
