选择数字隔离器或光耦合器

 

随着能源需求的扩大，电流和电压值也会上升。更高的电压在许多应用中更为常见，甚至在独立的应用中。更高电压的应用都被认为是危险的，包括电动汽车（EV）、能源基础设施的应用，如直流快速充电（DCFC）、太阳能、能源存储和不间断电源（UPS）。

电力电流隔离对于具有高压设备的人机界面是强制性的，并由安全运行的安全标准来定义。创建隔离的几种方法取决于应用程序、技术要求或适用的标准。这篇技术性文章将介绍不同的方法，并讨论如何为任何应用程序选择最好的方法。

 

什么是隔离？

通常被称为“电隔离”，意味着不存在金属接触，隔离是隔离功能部分或电气或电子电路的原理，以防止它们之间的电流流动。

 

图1：气体隔离原理

 

隔离的主要原因之一是安全；当一个人可能与−电源设备交互时，这一点尤为重要。提供适当数量的隔离措施，可以确保任何用户，即使发生了严重的故障，他们也不会接触到危险的电压。

隔离通常由适用于该应用程序的安全标准来定义。该定义可能只是一个击穿电压，或者它也可能包括一个物理分离的要求（“爬电和间隙”）。

 

 

除了保护用户外，隔离还可以分离电路的低压（LV）和高压（HV）部分，并在过滤共模噪声方面发挥有用的作用。由于没有金属传导路径，接地电流不能循环，从而消除了隔离电路中与接地回路相关的噪声。

除了保护人员外，隔离还可以保护高−值的电路元件和子−系统免受由于电路其他区域的灾难性故障而造成的损坏。

 

提供隔离性的方法

虽然隔离使电路部分保持隔离，但需要信号跨越隔离边界，因此需要使用光耦合器或数字隔离器等设备，以便在保持隔离等级的同时传输信号。

最常见的方法是在单一封装中使用带有LED和光电晶体管的光电耦合器。这项技术已经建立了50多年，并继续在隔离设备市场上占据主导份额，其份额约为85%。

数字隔离器可以是磁性的，也可以是电容性的，虽然这些技术相对较新，但大约七分之一的隔离设备销售是数字隔离器。它们在特定的应用中尤其有价值——尤其是在汽车领域——而在这些领域的增长将导致数字隔离器在未来拥有更重要的市场份额。

 

隔离技术的比较

不出所料，每种技术都将提供不同的性能和价格点，使它们更适合某些应用，而不是其他应用。

“传统的”光耦合器装置使用环氧树脂或硅胶凝胶，通过> 400µm的隔离（DTI）提供相对稳健的距离，满足EN 60950的要求。然而，随着时间的推移，器件的运行和性能相对较慢，温度也不稳定。他们也有一个相对较短的预期寿命约十年，很少有AEC−合格的汽车应用。

 

 

图2.隔离技术概述

 

 

光耦合器通常不适合多−通道设计，因为这需要大量的空间。然而，在积极的方面，光耦合器没有EMI/EMC问题，因为光用于传输，它们不需要调制信号，消除了电路设计的复杂性，也节省了空间和成本。

这两种在−芯片上的数字技术（磁性和电容性）提供了类似的性能。明显的区别是，磁性器件使用一个磁场将信号通过一个20µm的聚酰亚胺绝缘体，而电容性器件使用一个通过SiO的电场2隔离阻障这两种数字技术都提供了更快的随时间和温度的传播和性能，与预期寿命约20年一致——是光耦合器的两倍。它们还提供更高的（CMTI）共模瞬态免疫-在100kV/µs区域。

 

 

缺点是，数字设备的DTI只有20µm左右，阻止了它符合EN60950的要求。它们也需要信号调制，因为它们不能通过DC和考虑”在使用这些设备时，必须考虑到EMC / EMI的设计。

 

 

 

图3.−芯片数字隔离器在单独的陶瓷基板上建立电容器，提供几个好处

 

 

非−芯片隔离器的工作原理与非−芯片溶液相似。使用−关闭键控（OOK），以便当输入信号较低时，施加到电容器的信号不被调制，因此输出保持较低。当输入信号高时，调制信号通过电容器，导致输出上升。

 

图4.数字隔离器使用−关关（OOK）通过隔离边界传输信号

 

 

Digi−Max技术在电容之间多路复用数据，从而使多−通道并行数据可以作为串行数据流传输。这就避免了需要多个电容器，从而减少了解决方案的大小。

 

−安全操作失败

由于其本质，隔离装置在使用过程中很可能会暴露在电过应力（EOS）中。然而，关键的考虑因素是它们是否仍能保持安全。为了说明这一点，两个器件（一个是半Digi−Max隔离器和一个类似的竞争器件）都暴露在其在V之间的击穿极限的电压下dd和地面。

 

这两个设备都出现了预期的故障。然而，在被斩首之前，他们都是进行了绝缘测试。竞争对手的设备在2.76 kV左右出现了故障Digi−Max数字隔离器保持其数据表性能为5 kV，持续60秒。这清楚地表明，使用Digi−Max，即使在严重的EOS事件后，隔离屏障仍然保持完整，即使存在功能故障，保护作用仍然存在。

 

 

为什么使用陶瓷材料？

陶瓷材料用于开关−芯片，制造电容器，作为隔离屏障和传输介质，使信号从一端/侧传输到另一端/侧，使用开关−开关键控（OOK）技术。

 

在EOS/ESD损坏其中一个集成电路时，非−芯片隔离结构使用陶瓷材料保护绝缘屏障。使用陶瓷材料制造隔离电容器有几个优点。陶瓷材料是良好的电和热绝缘体，具有低导电和导热性。火焰从一次到二次的传播几乎是不可能的，因为它们具有较高的熔点和耐热性。他们是长−持久和硬−磨损与相当的耐久性，优良的硬度，和强度。陶瓷具有化学惰性，因此与其他化学物质不反应。简而言之，没有什么可以与SiO相媲美2在制造隔离电容器时使用的材料。

 

使用哪种技术？

如果只需要单通道或双通道解决方案，光耦合器通常是首选的解决方案。如果需要轻松满足EMC需求的能力或成本是一个关键的考虑因素，这也适用。

 

然而，如果应用需要长寿命（>10年）或随着时间和温度的稳定性能，数字隔离器将成为首选技术。它们也更适合高信道计数应用和那些需要双向通信定向通信。由于很少有光电隔离器符合AEC标准，几乎所有的汽车隔离器都将是数字的。

 

这个数字−最大值 技术提供了与其他数字隔离器的所有性能优势和功能，以及EOS事件后的故障−安全运行。然而，由于其独特的电容结构，它也可以提供与光耦合器器件相同的可靠性水平。

 

 

图5技术

 

 

总结

 

隔离是许多设计的一个关键方面，与许多技术一样，设计人员可以使用几种选择。虽然光耦合器已经存在了很长一段时间，但它们也有几个局限性——特别是在汽车应用中。现代数字隔离器克服了许多这些问题，并符合AEC标准。

 

由于其独特的−芯片结构，半导体半导体的Digi−Max 数码的 隔离器为设计者提供了另一个关键的好处——即使在灾难性的EOS事件后也能保持他们的隔离等级。

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