通过隔离产品解决隔离设计的挑战：优势，应用和系统注意事项

大家好，我是Koteshwar Rao。 我在TI领导应用团队和隔离产品线。 今天的网络研讨会将讨论 如何用隔离产品解决 隔离设计的挑战。 我们将讨论此类系统中隔离产品的优点、 应用程序 和系统注意事项。 今天的议程是简要介绍 什么是隔离，什么是隔离标准， 以及用于隔离产品的 标准术语。 我们还将讨论TI隔离器的 物理结构 及其电路结构。 然后我们会简要地讨论一下 我们要记住的其他系统配置。 这包括兼容性电磁干扰。 我们还将介绍各种各样的隔离器的失效模式。 什么时候会发生隔离器失效？ 我们将讨论关于隔离要求 在终端设备，典型的需求是什么样的， 以及TI如何(听不清)的要求。 我们今天的目标终端设备是 电机控制系统、太阳能逆变器、 PLC系统、 汽车系统、测试和测量。 我们将简要讨论TI的设计。 这些是我们在德州仪器公司做的参考设计。 好的。 我们开始吧。 从今天的课程中学到的将是 关键的隔离术语和概念， 隔离在[听不清]终端设备中的使用 以及如何(听不清)这些解决方案， TI特别适合解决需求 和其他系统考虑事项的应用程序， 但通常适用于隔离系统。 好的。 让我们从议程的第一点开始。 什么是隔离？ 隔离是防止直流 或不受控制的瞬态电流 在两个通信点之间流动的一种方法。 如果他们有两个通讯点， 这是非常小的直流或不受控制的瞬态电流 之间流动这两个点， 那么系统是孤立的。 为什么要隔离系统？ 好吧，当终端设备是现场的一部分时， 它们就会暴露在恶劣的环境条件下， 比如雷电引起的浪涌、高压浪涌。 这样的闪电会损坏终端设备。 而且它也会对操作设备的人造成伤害。 因此，对某些系统进行隔离 是保护终端设备的重要措施。 在通信链路中，当电缆非常大的时候， 会有很大的地面电位差， 这就会干扰通信。 [听不清]在这样的通信链路中， 通过将信道切割成更小的地面环路 来创建一个更小的地面环路是很重要的。 最后，在电机驱动系统中， 需要用比在最佳电压下 可用的更高的电压 来驱动高侧分量。 因此，它是方便的隔离栅驱动系统 和单驱动MOSFET没有 更高的电压驱动这些组件。 简而言之，隔离使发射机 和接收机之间的通信 能够参考两个地面电位。 隔离器基本上是一个绝缘体， 信号和数据通过它传输。 这是典型的四通道数字隔离器。 两个通道在正向。 这两个通道的方向是相反的。 典型隔离器的示例应用程序 包括PLC系统、仪表系统 和电机驱动器等应用程序。 在PLC系统中，需要对 现场信号进行隔离，才能将其 与微控制器连接。 在仪器系统中输入的信号 在连接到主设备之前 需要用更高的电压隔离 这样人类才能安全地操作它。 在电机驱动系统中，为了保护微控制器 不受高压的影响，二次侧地 通过结构连接到IGBT发射极上， 以实现高压过渡。 其他应用包括病人监护系统， 太阳能逆变器，暖通空调，商人力量。 让我们来看看适用于隔离设备的标准。 隔离装置必须符合 特定的标准。 就像Opto隔离器需要符合 IEC 60747-5-5。 类似地，电容式或磁性隔离器 也需要符合类似的标准， VDE 0884-10 和 -11。 这些标准规定了设备 应如何进行高压应力测试。 类似地，其他规范机构 也有其他标准，比如UL 1577。 这些是组件级标准。 所有的隔离器都必须通过这些标准。 TI符合VDE和UL标准。 同样，终端设备 也有系统级标准。 其中一些列在这里， I 61800-5-1，是可调速驱动器的 安全要求标准。 这包括了电机驱动。 类似地，其他终端设备也有标准， 比如医疗设备，(听不清) 测量，电信设备。 这些系统需要符合这些标准， 以迎合更广泛的市场。 最常见的其他标准[听不清] 排放和[听不清]。 所有的终端设备都要符合这些标准。 这些包括IEC 61000-4-x标准， 包括EFT, EFT浪涌和RF免疫。 对于辐射排放，CISPR22需要 满足大多数终端设备， 以迎合更广泛的市场。 以及符合这些标准的终端设备。 TI隔离器使终端设备 达到标准要求。 让我们简要地看一下隔离术语。 什么是基本隔离？ 隔离，只要电池完好无损， 就能提供对高压的保护。 如果可能的话， 隔离的相关性需要加上另一个隔离屏障。 如果人类可以访问。 而加强隔离相当于 两个基本隔离屏障和串联隔离。 加强隔离本身 就足以作为一个安全屏障，抵御高压。 同样，另一个电压参数 它们通常单独在隔离中使用， 比较常见的包括V ISO，这是一个隔离器的 耐压隔离。 [听不清]隔离器的[听不清]电压， 一个设备可以承受60秒钟， 定义在[听不清]。 同样，一个类似的参数在[听不见]中定义 被称为V IOTM。 这是最大的瞬态电压。 在其他参数中， V IORM和V IOWM 表示设备能够连续工作 直至最后的工作电压。 V IORM在pk中定义。 然而，V IOWM是在rms中定义的。 例如，一个系统有最好的电压 是[听不清]比隔离装置 在这个特殊的应用 需要有一个工作电压为1000伏特DC。 V型浪涌是设备能够承受的浪涌波形。 爬电是沿封装表面从一侧引脚 到另一侧引脚的最小距离。 这限制了工作电压或连续电压 由于沿包装表面降解。 间隙是在空气中从一侧的销钉 到另一侧的销钉的最小距离。 这限制了设备所能承受的峰值电压。 而共模瞬态免疫CMTI 是隔离器在没有位错的情况下， 能够承受地面1和地面2之间 地电位差的最大变化率。 这表明了隔离器对地面噪声的影响。 这在门驱动应用中非常重要。 有关各种隔离术语的更多信息， 请[听不清]链接到幻灯片中的一个。 让我们详细看看爬电和间隙。 [听不清]爬电是 绝缘表面测量的两个导电导线 穿过隔离屏障的最短距离。 如图中所述。 而间隙是通过空气测量的两个导电导线 穿过隔离屏障的 最短距离。 漏电是工作(听不清)隔离器的 重要参数， 间隙对瞬态也同样重要。 什么是CMTI？ CMTI是一种共模瞬态隔离免疫。 它是参考地面1的信号 相对于地面2变化的速率。 这个参数的单位是千伏特/微秒。 隔离器的CMTI值越高， 系统的免疫性能越好。 让我们看看隔离器的物理结构 和电路结构。 电容式隔离器是如何构造的？ 这是一个横截面隔离器的视图。 左侧模为s发射芯片。 右边的模是接收芯片。 这两个模具在物理上是分开的， 并通过连接线连接。 在隔离器的顶部，它是这样的。 左边的电路和右边的电路 连接到一根接线上。 隔离帽安装在接收模上。 单个电容器用[听不清]表示。 电容的横截面图看起来 像中间的空间，顶板 和底板大约是8-14微米。 材料的介电强度是 800伏特每微米。 因此，10微米的间距 将给我们提供8千伏的隔离与[听不清]的能力。 对于加强型隔离器，隔离压实器 存在于左侧和右侧。 电容器被连接到连接导线上。 串联两个电容器满足两个基本隔离水平。 因此，[听不清]加强了隔离。 在右边，你会看到一个隔离器模的 实际图像。 让我们来看看各种 TI隔离器的电路结构。 第一个是我们的基于边缘的架构。 在基于边缘系统，渠道 分为低频和高频频道， 因为电容对高频 和低频信号的表现不同。 高频通道直接接收脉冲。 电容与电阻相连接， 形成一个微分器。 因此，它产生了一系列锋利的尖刺。 然后，解码器对这些峰值 进行解码，以重新创建有序输入信号。 同样，对于低频道， 脉冲不能直接传播。 因此，它需要调整。 所述固定载流子通过所述隔离栅， 以重建所述有序输入信号。 另一个系统是开关键控体系结构， 其中高值由载波的存在来表示。 而低点则表示没有载体。 这是最适合高免疫力。 由于信号是连续的， 系统对[听不清]免疫得多。 该系统还实现了扩频时钟的载波， 使排放量保持在 最低限度。 这两个有什么不同？ 第一个架构[听不清]只保留边缘 而不保留通道项目[听不清]。 因此，第一个架构 并不消耗很多能量。 因此，无论何时需要低功耗的 隔离器，体系结构隔离器都是合适的。 然而，系统需要非常高的免疫力， 开关键控是首选。 让我们看看系统的考虑 从EMC[听不清]的角度 以及隔离器的故障模式。 静电放电是大多数终端设备 需要满足的关键要求之一。 这种[听不清]电荷从终端设备 排放到各种介质。 并且[听不清]需要通过[听不清]。 EFT是一种电动快速瞬变。 这些是由[听不清] 俯仰和电机驱动产生的瞬态。 终端设备也需要满足 EFT IEC 61000-4-4的要求。 大多数终端设备也需要符合 使用闪电创建的浪涌事件。 surge的认证是IEC 61000-4-5。 一个典型的非孤立的[听不清] 加强通信是这样的。 它需要额外的保护装置[听不清] 来保护这些终端设备免受EFT和浪涌冲击。 然而，在一个孤立的系统中，地面2上的反弹 是由隔离器来处理的。 所有的高压应力都出现在隔振器上。 另一边的系统没有暴露 在高压下。 因此，在这种情况下，[听不清] 生产所需的ESD结构是最小的。 隔离器承受着所有的高压应力。 我们来看看隔离器的失效模式。 当所有隔离器的应力超过额定电压时， 它们都短路。 光耦合器，光隔离器， 基本上一端是LED， 另一端是光电晶体管。 这两端与聚酰亚胺分开， 即硅聚酰亚胺。 顶部的铅和底部的铅形成一个电容器。 光隔离器也相当于电容器。 然而，TI在两个设备上都有两个电容。 因此，它相当于 有两个串联电容。 用于光电隔离器的材料是硅聚酰亚胺。 而硅聚酰亚胺的电强度 只有30瓦特每微米。 因此，要达到15千伏的强度， 它需要[听不清]500微米。 然而，使用TI容量隔离器， 所使用的二氧化硅具有 每微米800伏特的强度。 因此，要实现20千伏的隔离， 它只需要26微米的间距。 让我们考虑两个隔离器， Opto隔离器， 和TI隔离器，它们的应力都超过了所能承受的。 当高压对隔离器施加压力时， 高压侧压模。 (听不清)被破坏了。 当模具在光隔离器中损坏时， 损伤向外扩展到临界隔离点。 而在钛合金中， 损伤从非临界模扩展到模距。 为了隔离，在TI隔离器中， 保持间隔电容。 因此，模具与模具之间的间距是无关紧要的。 而在光隔离器中， LED与光敏元件之间的间距 是保持隔离的关键。 然而，当损伤扩展到 临界隔离点时， 高压被破坏了。 光隔离器的损坏程度 取决于[听不清]能量。 因此，有可能一些隔离器短路， 而另一些则打开。 然而，在TI隔离器中，即使在高压作用下， 模具1也会损坏，但模具2 在开始基本隔离 以保护系统之前保持完好。 除此之外，LED的使用年龄 一般从5年到10年。 然而，功能电路故障 将保持完整的绝缘在TI隔离器。 ISO屏障有一个非常高的预期寿命 在1千伏rms超过120年。 这些图片显示了实际的损坏情况 并且仅限于模具， 模具暴露在高压下。 因此，基本的隔离仍然 保持在另一个模具上。 让我们来看看各种终端设备 及其隔离要求是什么， 以及TI如何满足这些要求。 这是一个电机驱动系统。 这就是我们典型的电机驱动系统的样子。 选择隔离设备 有两种可能性。 电机驱动系统的工作 只需要基本的隔离。 然而，可视通信链路需要 加强隔离。 因此，您可以为门驱动程序 和反馈网络选择增强隔离器， 这样您就不需要在通信链路上 使用单独的隔离系统。 或者，你可以在高压 和低压部分 有一个基本的隔离， 并加强对数字通信链路的隔离。 让我们根据标准来看看 电机驱动系统中的隔离要求。 标准定义了一些表， 如幻灯片所示。 如果一个系统的最佳电压为300伏特， 并且需要基本隔离， 则需要对1500伏特的瞬态电压 进行保护。 它还需要满足4000伏的浪涌电压。 标准定义了[听不清]是[听不清]。 为了满足这个要求， 隔离器的最小间隙要达到3毫米。 对于这样一个有300(听不清)电压的系统， 工作电压至少需要达到500。 为了满足500伏的工作电压， 隔离器需要有表中列出的 最小爬电。 这同样取决于 设备所属的材料组CPI组。 如果设备属于材料组一， 它只有2.5毫米的间隙， 工作电压为500伏。 材料组为2的隔离器 需要至少有3.6毫米的爬电。 同样，具有CPI 3的材料 需要至少有5毫米的漏电。 大多数TI隔离器是在过去两年发布的[听不清] CPI 1的材料组，因此只需要 2.5毫米的爬电来满足 500伏特的工作电压。 较老的TI隔离器属于CPI组2。 太阳能逆变器系统的隔离要求 类似于电动系统。 除了电机驱动的要求外， 太阳能逆变器还有一个额外的要求。 CMTI是提高效率和降低成本的 关键。 随着母线电压的不断提高， 高工作电压显得尤为重要。 为满足高电压要求， 由于高压运行和污染， 宜采用较高的爬电和间隙。 TI隔离保护电机控制和可再生能源。 列出的是TI器件对于这样的应用 这是最合适的。 这包括数字隔离器， [听不清]隔离器，门驱动器，电流传感， 隔离调制器。 这里列出了系统的好处， 5.7千瓦的隔离电压， 12.8千瓦的激增， 14.5毫米间隙包，和至少100千伏 每测微CMTI DESAT 和米勒夹安全特性， 和更高的数据速率， CTI大于600， 并且打开失败的行为。 所以TI是行业中唯一提供 这种组合的供应商。 ISO 53xx是一个紧凑的8针 基本隔离IGBT门驱动器。 它也有助于终端设备的空间 是至关重要的，并寻找一个更简单的设备， 更简单和更小的设备。 让我们来看看PLC系统。 这是一个典型的PLC系统的样子。 该系统由各种输入、输出模块组成。 输入和输出可以是模拟的，也可以是数字的。 这些信号来自不同的视场点。 这些都来自于恶劣的环境。 这些信号在连接到 PLC系统的总线 与CPU通信之前 需要进行隔离。 数字信号是直接隔离的。 然而，模拟信号需要 通过ADC转换成数字信号， 然后给总线系统电压一般不高。 它是最常用的24伏特电源。 因此，这种系统的工作电压 要求通常很低。 对于大多数系统来说， 即使工作电压的有效值为100伏特也足够了。 然而，ESP和EFT 在这里很重要[听不清]。 ESD和EFT非常重要，尤其是 在通信线路中。 其他要求包括低功耗。 因为系统中有很多通道， 所以低功耗是一个优势。 电磁兼容性和排放对系统也很重要。 同样，由于有许多通道， 所以较小的包比较大的包更受欢迎。 降低SPI定时关闭的传播延迟。 并降低控制器侧电源。 TI隔离器适用于这里列出了一个PLC系统。 ISO 73xx和ISO 71xx 都有小包装，紧凑的包装， 如8D和18DBQ。 同时，该装置具有较低的功耗， 适合于PLC的应用。 列出的其他设备包括隔离电源、 隔离485和隔离CAN设备。 ISO 77xx是一种增强型、紧凑型、 低功耗隔离器。 在汽车系统中，更常见的 隔离要求是电动汽车的电池充电 以及电动汽车的 电机驱动。 电机驱动系统的最佳电压为 200伏至800伏。 因此，在大多数情况下，基本隔离就足够了。 在汽车系统中，2.5千伏有效值 通常是足够的，虽然有时 需要3千伏。 农业大功率柴油到电力驱动 可能加强隔离，虽然可能不需要Q100。 对于汽车系统，TI 隔离器列在这里。 首要的要求是有一个汽车 Q1[听不清]的隔离器。 ISO 73xx、ISO 71xx 和ISO 77xx数字隔离器 均可在autograde Q1上使用。 其他可用的Q1级隔离器 包括SN6501的和6505 是电源隔离器。 然后是a型隔离器， ISO 1540和1541。 测试和测量中的隔离和智能计量， [听不清]，我们可以看到，这是一个智能计量系统。 由于这种系统的输入来自高压线路， 所以在连接到低压系统之前， 需要对线路进行隔离。 由于电压可能很高， 因此需要加强隔离。 这种终端设备 由IEC61010标准控制。 由于需要加强隔离， 由于它是高电压， 有更高的爬电和间隙的要求。 对于高达300伏特的电压， 4.5毫米爬电[听不清]就足够了。 电压大于600伏时， 需要11毫米爬电间隙。 这里列出了适合于测试、 测量和计量应用的 设备。 同样，没有竞争对手提供这种组合。 TI在这个市场上处于独特的地位， 主要是14毫米封装和故障打开行为。 让我们看看TI的参考设计。 TI设计所有针对特定应用程序 或[听不清]系统创建的 参考设计。 TI设计将为给定的子系统 提供一个公共测试报告， 客户可以使用该报告来评估和估计设备的性能。 TIDA-00195是一种半桥隔离IGBT门驱动器。 基于ISO 5852S。 本设计实现了 三相电机驱动系统。 这个系统可以用于(听不清)伏特的电压。 同样，TIDA-00446也是一款小型隔离栅极 驱动解决方案三相逆变器， 再次建立ISO 5852S。 这个特殊的设计实现了 一个非常紧凑的系统[听不清]。 其他关键的TI设计在这里列出。 在TI隔离页面上， 有许多与客户相关的 TI设计。