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高压隔离技术的工作原理及应用
来源:Arrow 发布:2022/04/19 浏览量:691

隔离器广泛应用于汽车、电信、工业和医疗领域,以保护人员和设备免受高压危害。既然隔离器的应用那么广泛,那么我们就从什么是隔离器到隔离器的原理及应用,去了解隔离器怎么给产品带来可靠的安全性。

隔离器广泛应用于汽车、电信、工业和医疗领域,以保护人员和设备免受高压危害。既然隔离器的应用那么广泛,那么我们就从什么是隔离器到隔离器的原理及应用,去了解隔离器怎么给产品带来可靠的安全性。

 

什么是隔离器?为什么需要隔离?

 

1. 什么是隔离器?

 

隔离IC允许在两个电路或两个功率区域之间传输信号,同时防止电流在电路之间流动。如下图,电路A和电路B供电电压不一样,并且参考地也不一样,但是能在高阻抗绝缘层的隔离器之间进行信号传输。目前市场隔离技术有三种:光耦、磁耦、容耦。

图1 电路间的隔离

 

2. 为什么需要隔离?

 

隔离器用于许多不同应用场合,隔离器可用于消除“接地回路”隔离电路之间的共地,从而降低电气噪声和电磁干扰(图2)。隔离器也可用于电平转换,允许在非常不同的电源电压下工作的电路进行通信。隔离器最常见的用途是为低压电路提供安全保护,或在隔离器的一侧为操作人员提供保护,隔离的另一侧可能存在危险电压(图3)。如下图三种不同的隔离场合:

图2 Isolators Can Reduce Noise/EMI by Eliminating Ground Loops

 

图3 Isolators Can Provide Safety from High Voltages

 

3.光耦,磁耦,容耦

 

目前隔离技术主要有三种:光耦隔离,磁耦隔离,容耦隔离(如图4),光耦是最早使用的隔离技术,有很长时间的沉淀现在伺服控制行业主要还是使用光耦居多。磁耦和容耦使用的是CMOS 工艺,是目前比较流行的隔离技术,由于其优越的性能,目前在汽车,工业电源,光伏等领域广泛应用。

图4 光耦,磁耦,容耦

 

电容隔离的原理及优势

 

基于SiO2作为绝缘介质的电容隔离技术,使用先进的半导体制造工艺,串联两个SiO2电容(图5 红色部分)在同一个芯片上。使用OOK调制技术传输信号,提供零误触发增强可靠性。

 

基于SiO2 CMOS的电容耦合结构

 

SiO2 具有优异的介电强度,允许在小的封装上实现非常高的耐压能力。以下是SiO2作为容耦隔离介质的优点:

  • 优异的的介电强度:500 V/μm ( 其他材料的介电常数:  50 - 200 V/μm)

  • 久经考验、控制良好的半导体工艺,意味着极低的缺陷,较长的工作寿命

  • 使用寿命超过30年

  • 能在较小的封装上实现非常高的耐压能力

 图5 容耦隔离器截面图

 

电容隔离的应用场合及推荐

 

知道它们是怎么来的了,是时候讲它们怎么用,用在哪里了。目前大部分使用场合是为低压电路提供安全保护,比如隔离驱动高压侧电压高达800V,低压侧是3.3V控制系统,使用隔离器件能有效防护低压系统免受高压损坏。具体的应用场合有汽车、工业控制、马达控制、工业电源、光伏等应用都有隔离器件的机会。

图6 隔离器件应用场景

 

总结

 

敲黑板划重点时间到了!Arrow 代理国内外隔离产品的明星产品线比如TI(容耦)、ADI (磁耦)、Skyworks(容耦)、纳芯微(容耦)等,我们重点介绍Skyworks 的产品。

 

Skyworks 的产品在汽车,工业,新能源领域有很高的名气。明星产品有隔离驱动Si823x,数字信号隔离器Si86xx,在相关领域沉淀10年左右,有很高的口碑。最近他们出了一系列新的产品隔离驱动器(图7),以及隔离电压电流sensor。

  • 隔离驱动器:Si823HX 适应第三代半导体SiC的性能,有更底的传输延时(Max 30ns)、更高的CMTI( >125kv/us),死区时间:20-200ns。

  • 隔离电流检测:Si892x 支持单端模拟信号和差分模拟信号输出,Si894x 支持DSM 输出,可以直接于MCU/DSP通信,减少外围器件,如(图8)。

  • 隔离电压检测:Si893x 支持差分模拟信号及DSM 输出。

图7 Skyworks 产品路线图

 

图8 Si894x 框图

 

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