【導讀】在汽車(chē)、工業(yè)和綠色能源領(lǐng)域的各種系統中，設計人員正在尋求利用寬帶隙晶體管技術(shù)。這種技術(shù)不僅能夠支持更高頻率的操作，還能夠支持更高電壓的作業(yè)。高頻操作使得電路密度得以提高，但傳統的體硅工藝技術(shù)由于開(kāi)關(guān)損耗的限制而難以實(shí)現。相比之下，寬帶隙器件則不會(huì )遭受相同的損耗影響。
在汽車(chē)、工業(yè)和綠色能源領(lǐng)域的許多系統中，保護系統免受電壓浪涌和噪聲的影響至關(guān)重要。
電子系統設計中存在兩種不同的趨勢，二者均支持電機的電子系統。一方面是向千伏級別發(fā)展的發(fā)電和電氣分配子系統。另一方面是高速MCU，能夠實(shí)現先進(jìn)算法以?xún)?yōu)化系統性能，并在接近1V的電壓下運行。
在汽車(chē)、工業(yè)和綠色能源領(lǐng)域的各種系統中，設計人員正在尋求利用寬帶隙晶體管技術(shù)。這種技術(shù)不僅能夠支持更高頻率的操作，還能夠支持更高電壓的作業(yè)。高頻操作使得電路密度得以提高，但傳統的體硅工藝技術(shù)由于開(kāi)關(guān)損耗的限制而難以實(shí)現。相比之下，寬帶隙器件則不會(huì )遭受相同的損耗影響。
寬帶隙技術(shù)也更加穩健，能夠處理比許多硅器件更高的供電電壓。這意味著(zhù)能夠以較低成本實(shí)現高功率密度。由此可以制造更小的變頻器，并且在汽車(chē)系統中，充電器可以跨多個(gè)電芯傳遞更多能量來(lái)支持快速充電協(xié)議。
更高頻率的運行意味著(zhù)使用控制算法生成脈沖寬度調制（PWM）信號，可快速響應傳感器信號，并確保功率晶體管開(kāi)關(guān)操作正確同步。此外，更復雜的控制算法還可優(yōu)化電機和變頻器的性能以提高效率。
低電壓器件及其周?chē)闹С制骷枰艿奖Ｗo，以防止來(lái)自高電壓的浪涌和尖峰。如果系統的不同部分之間沒(méi)有隔離，電氣噪聲和尖峰可能會(huì )從高電壓子系統傳播到低電壓電路。在同一塊PCB板上或在同一系統內存在高電壓和高電流電路的話(huà)可能會(huì )導致許多問(wèn)題，包括瞬態(tài)問(wèn)題，如數據損壞、安全隱患以及對這些設備內部電路的永久性損壞。
高電流尖峰可能會(huì )損壞半導體元件，并可能導致閂鎖條件，從而導致系統整體故障。如果在設計時(shí)未考慮組件承受這些應力的能力，那么由此產(chǎn)生的熱量可能引起火災。這些尖峰可能導致絕緣破壞，從而使I/O線(xiàn)纜攜帶危險電壓和電流水平，這可能使操作人員和用戶(hù)面臨電擊風(fēng)險。即使在相對較低的電流水平下，反復受到電壓浪涌也可能導致隔離屏障材料的逐漸破壞，從而降低系統的可靠性。
此外，電氣噪聲也可能成為問(wèn)題。此類(lèi)噪聲會(huì )干擾敏感混合信號組件的輸入，例如模數轉換器，導致錯誤讀數。更強的脈沖可能會(huì )導致從存儲器和其他數字外圍設備傳輸到主處理器時(shí)發(fā)生位翻轉。
圖1：PLC中的隔離位置
隨著(zhù)設備中需要保護的位置持續增加。除了需要內部I/O外，通常子系統還將通過(guò)網(wǎng)絡(luò )彼此通信，以進(jìn)一步提高效率并更好地對突然變化的條件做出協(xié)調響應。這表明了對線(xiàn)纜網(wǎng)絡(luò )和系統背板進(jìn)行高速通信的需求不斷增長(cháng)。特別是在許多工業(yè)系統的惡劣電氣環(huán)境中，這些連接也需要保護以免受高壓尖峰和其他電磁干擾（EMI）的損害。 典型可編程邏輯控制器（PLC）的架構提供了許多需要保護的不同信號示例。在許多PLC中，系統功能被劃分為幾個(gè)相互協(xié)作的模塊，這些模塊通過(guò)共同的背板連接。背板通常提供低壓電源軌，其工作電壓可達24V，以及供應給控制模塊的5V控制路徑，并包含電源模塊的供電。 電源模塊通常分為低電壓和高電壓部分。需要保護用于控制功率晶體管開(kāi)關(guān)的PWM信號線(xiàn)。為了避免擊穿等類(lèi)似開(kāi)關(guān)問(wèn)題，可能需要多個(gè)PWM信號，這會(huì )增加并行控制信號的數量。通過(guò)在同一隔離器件中支持反向信號，錯誤和傳感器信號便可以從電源級傳遞到控制器。 PLC通常會(huì )包含用于外部傳感器信號的模擬和數字I/O模塊。需要跨這些不同信號保護系統，并且以最少的占板空間支持高傳輸速率。網(wǎng)絡(luò )模塊可能需要以高達100Mb/s的速率傳輸數據，并且要加以保護，免受高壓損壞和電氣噪聲影響。 在跨電壓域傳播浪涌的保護中，電氣隔離的關(guān)鍵在于在高電壓和低電壓域之間斷開(kāi)電路路徑，以防止電流直接從一側傳輸到另一側。
光隔離器
多年來(lái)，光學(xué)隔離一直被用于分離兩個(gè)子系統之間的電路路徑。這是通過(guò)使用LED將傳入的電信號轉換為光子來(lái)實(shí)現的。一個(gè)非導電的透明隔離物將光傳輸到接收端上的光電探測器。
圖2：光隔離器
盡管當前市面上的光耦合器支持緊湊的封裝，但當需要隔離多個(gè)通道時(shí)，解決方案的整體尺寸仍可能構成問(wèn)題。由于難以將多個(gè)通道集成到單個(gè)封裝中并避免通道間的交叉干擾，因此它們通常采用離散型架構。這在需要并行I/O隔離的情況下可能造成問(wèn)題。例如，對于串行外圍設備互連（SPI）總線(xiàn)的保護，可能需要四個(gè)單獨的器件。光耦合器的第二個(gè)問(wèn)題在于它們可以通過(guò)的最大數據速率受到LED和光電探測器響應時(shí)間的限制。實(shí)際上，最大可實(shí)現的數字帶寬約為50Mb/s。此外，系統的長(cháng)期可靠性也是一個(gè)問(wèn)題。
電容隔離
電容隔離是提供用于并行I/O的集成設備的選項的技術(shù)之一，盡管它傾向于適用于需要較低隔離水平的場(chǎng)景。這種形式的隔離耦合器使用電容器的充放電周期來(lái)實(shí)現數據傳輸。由于電容元件之間使用絕緣材料的阻隔，因此不存在直流電流流動(dòng)。盡管在應用需要大電容時(shí)可能會(huì )受到充放電速率的限制，但該技術(shù)的優(yōu)勢依然可以支持高數據速率。
圖3：電容隔離
隔離通常受限于位于電容元件之間的絕緣層的擊穿電壓。對于小型設備，這可能不足以阻止大的高壓尖峰。
電磁隔離
電磁隔離通過(guò)利用一次繞組中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)感應二次繞組中的電流。當實(shí)施隔離解決方案時(shí)，一個(gè)線(xiàn)圈充當信號發(fā)射器，另一個(gè)充當接收器。磁感應隔離應用可在工作電壓非常高的系統中運行。因此，磁耦合的使用提供了高保護性，長(cháng)期運行壽命的組合，并且能夠以比光耦合器更高的速度工作。
圖4：磁耦合為電磁隔離解決方案奠定了基礎
磁耦合并不一定粗大笨重。隨著(zhù)半導體技術(shù)的進(jìn)步，將電感器集成到小型芯片級產(chǎn)品中已成為可能。因此可以在單個(gè)封裝內提供多個(gè)并行操作的通道，從而進(jìn)一步節省空間。例如，東芝的DCL54x01系列由兩個(gè)共同封裝的芯片組成。一個(gè)是輸入信號的調制器，另一個(gè)是解調器，用于處理接收信號。使用兩個(gè)隔離芯片便可支持雙重絕緣結構，提供最大限度的保護。在一側的絕緣隔離發(fā)生損壞時(shí)，這種設計能夠防止兩側之間發(fā)生短路。這種架構確保了高達12.8kV的電壓浪涌無(wú)法穿過(guò)隔離屏障到達另一側，并且組件滿(mǎn)足VDE V 0884-11標準的要求。 基于使用標準的時(shí)間依賴(lài)介質(zhì)擊穿（TDDB）計量測試，1.2kVrms脈沖顯示該結構設計提供的預期絕緣壽命長(cháng)達70年。
圖5：開(kāi)關(guān)鍵控
開(kāi)關(guān)鍵控的調制方案是一種即使在高速運行下也可以提供噪音保護技術(shù)。這種調制方案使用載波信號的存在和缺失來(lái)分別表示高和低邏輯狀態(tài)，是一種提供了高效可靠的方法用于將PWM信號從微處理器傳輸到控制PCB高壓側電機或變頻器的柵極驅動(dòng)器。在DCL54x01中，該方法提供了小于3ns的脈寬失真，確保了PWM和其他高速邏輯級信號的準確傳輸。該方法還支持以150Mb/s或更高的速率傳輸數據，并具有高抗噪聲干擾性，包括對共模瞬態(tài)的抗性。 共模噪聲是一種電流同時(shí)在信號和地線(xiàn)上流動(dòng)的噪聲類(lèi)型，通常發(fā)生于高壓系統中。由于移位會(huì )影響信號和地線(xiàn)，并且可能通過(guò)隔離障礙物進(jìn)行耦合，特別是在電容隔離產(chǎn)品的情況下，導致對其進(jìn)行隔離的實(shí)現較為困難。如果耦合到接收端的電流達到一定水平，它可能會(huì )導致隔離界面本身以及系統的故障。高共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）對于可靠操作至關(guān)重要。這一特性在磁隔離產(chǎn)品中得到了很好的支持。
由于隔離器可以利用雙絕緣結構來(lái)提供對高壓浪涌的保護，因此在小型封裝中能夠輕松支持多通道作業(yè)。
（文章來(lái)源：東芝半導體，作者：Joachim Hausmann，東芝電子歐洲有限公司）
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
西部電博會(huì )揭秘新質(zhì)生產(chǎn)力，超前劇透亮點(diǎn)，這些展區不容錯過(guò)！
如何解決單芯片驅動(dòng)HB/LB/DRL,LED負載切換電流過(guò)沖？
IOTE 2024第22屆國際物聯(lián)網(wǎng)展·深圳站邀請函
