【導讀】本篇重點介紹川土微電子數(shù)字隔離器CS817x2x產(chǎn)品的特點、隔離參數(shù)以及典型應用。該產(chǎn)品具有超高的性價比,非常適合在400 VRMS電壓以下的系統(tǒng)中,作為信號的隔離使用。
01 介紹
隔離是一種防止系統(tǒng)兩部分之間有較大的直流或交流干擾的方法,同時允許信號可以在這兩部分系統(tǒng)正常傳輸。隔離可以保護操作人員;保護設(shè)備并防止高壓系統(tǒng)中干擾損壞昂貴的處理器;切斷長距離、多節(jié)點通信時,通信網(wǎng)絡中的接地回路。
主流的隔離方法有三種,基于光電耦合的隔離、基于變壓器的磁耦合隔離以及基于二氧化硅(SiO2)介質(zhì)的電容耦合隔離。目前低速隔離通信以光耦和電容隔離為主,高速隔離通信三種方案并存。
低速光耦隔離,在各種使用場景中具有以下問題:
1)普通低速光耦在115200bps的速率下,通訊不太穩(wěn)定,容易出現(xiàn)誤碼,可靠性不高。
2)光耦為電流型器件,翻轉(zhuǎn)所需的電流一般要5mA以上,而數(shù)字隔離器一般只需要1mA。
3)普通光耦隨著溫度的升高,通訊容易發(fā)生異常。為保證可以在全溫度范圍、全生命周期可靠運行,需要設(shè)計復雜外圍電路來實現(xiàn)。
4)普通光耦多采用紅光發(fā)光LED和光電二極管,器件之間的電壓電流特性、光電特性、光衰特性具有較差的一致性。
5)光耦壽命一般只有10年,在一些應用場景中是不夠的。如2020新版的國網(wǎng)標準要求隔離壽命16年以上,光耦就很難實現(xiàn)。
川土微電子CS817x2x隔離器系列,具有200Kbps的傳輸速率,該速率下僅需160μA 電流,可以支持 -40~105°C 的工作溫度,400VRMS的隔離工作電壓,高達40年工作壽命,適用于很多應用領(lǐng)域。如家電領(lǐng)域的,冰箱及空調(diào)的壓縮機控制,熱水器,吸油煙機,空氣凈化器等;工廠和樓宇自動化控制,如PLC,伺服控制,變頻控制等,以及智能電表,電動兩輪車,換電柜,自動販賣機,園林電動工具等。
02 CS817x2x隔離器特性
川土微電子隔離技術(shù)基礎(chǔ)
川土微電子隔離器使用二氧化硅作為信號隔離的電絕緣介質(zhì)。通常使用兩個串聯(lián)的二氧化硅電容器,即在隔離柵的每側(cè)各一個,從而實現(xiàn)高壓隔離,等效隔離圖示如圖1所示。與基于傳統(tǒng)的光耦和電感的(磁隔)隔離器相比,二氧化硅所提供的介電強度較高,不會因暴露于環(huán)境濕度而退化,并且可以有大于40年的隔離壽命。為了更深一層關(guān)于川土隔離技術(shù)的說明,請參閱使高壓信號隔離質(zhì)量和可靠性。
圖 1 :串聯(lián)電容器隔離
關(guān)鍵性隔離規(guī)格參數(shù)
在選擇正確的數(shù)字隔離器之前,應了解關(guān)鍵的隔離規(guī)格參數(shù),對設(shè)計人員來說,了解系統(tǒng)應用的隔離規(guī)范要求是很重要的,只有知道所需要的隔離要求,設(shè)計師才可以知道隔離器對系統(tǒng)能提供多大的保護,如隔離器能承受的最大電壓是多少?數(shù)字隔離器的高壓隔離性能,如最大瞬態(tài)隔離電壓(VIOTM),最大隔離電壓(VISO),最大浪涌隔離電壓(VIOSM),最大重復峰值隔離電壓(VIORM),最大工作隔離電壓(VIOWM),共模瞬態(tài)抗擾度(CMTI)。這些參數(shù)代表數(shù)字隔離器處理高壓的能力,不同大小的耐壓和瞬態(tài)響應是選擇隔離器的標準。
● 最大瞬態(tài)隔離電壓(VIOTM)
IEC 60747-5-5和VDE 0884-11中規(guī)定:隔離器在不發(fā)生故障的情況下可處理長達60秒的峰值瞬態(tài)電壓。系統(tǒng)電源上的電弧或負載變化會引起干擾,電壓可能會短暫地變成線路電壓的幾倍。隔離器必須能夠在不損壞的情況下處理這些過電壓。
● 最大隔離電壓(VISO)
與VIOTM相似,根據(jù)UL 1577,隔離耐受電壓定義為隔離器能夠在60秒內(nèi)不發(fā)生擊穿的電壓的均方根(rms)值,電壓的差值是峰值。
● 最大浪涌隔離電壓(VIOSM)
隔離器承受特定的瞬態(tài)電壓的極高電壓脈沖的能力。該波形圖 2所示。此參數(shù)表示直接和間接浪涌沖擊。根據(jù)IEC 60747-5-5和VDE 0884-11,具有最大浪涌隔離電壓VIOSM的隔離器必須在峰值電壓為VIOSM的1.3倍時通過浪涌測試,以實現(xiàn)基本隔離,和1.6倍的VIOSM加強隔離。當通過10kV以上的浪涌試驗時,數(shù)字隔離器可以稱為組件級增強型。
圖2:隔離器抗瞬態(tài)電壓能力
● 最大重復峰值隔離電壓(VIORM)
在IEC 60747-5-5和VDE 0884-11中定義為隔離器能夠承受的最大重復峰值電壓。本規(guī)范旨在鑒定隔離器在每天連續(xù)的隔離電壓。
● 最大工作隔離電壓(VIOWM)
類似于最大重復峰值電壓,工作電壓為最大有效值,或等效直流電壓,隔離器能夠在規(guī)定的長壽命內(nèi)承受。同樣,差異是以rms表示的值,而不是峰值電壓。
● 共模瞬態(tài)抗擾度(CMTI)
共模瞬態(tài)抗擾度是指隔離器在其兩個接地之間承受高轉(zhuǎn)換率電壓瞬變的能力,而不會損壞通過它的信號,這可能會導致信號傳輸錯誤。在某些應用中,由瞬變引起的這些信號誤差可導致短路事件。更高的CMTI表明隔離通道更加可靠。
● 爬電距離和電氣間隙
爬電和間隙是指沿封裝表面的距離,以及隔離器一側(cè)插腳與另一側(cè)插腳之間的空氣距離。該距離由基于隔離電壓要求等參數(shù)的系統(tǒng)級標準規(guī)定。
CS817x的這些隔離參數(shù)可詳見于數(shù)據(jù)手冊。
表1 CS817x2x VDE 隔離參數(shù)
表2 CS817x2x UL隔離參數(shù)
CS817x2x系列產(chǎn)品特性
CS817x2x是一系列低功耗雙通道數(shù)字隔離器,采用川土微電子專利技術(shù)“CAPACITIVE DIGITAL ISOLATOR CIRCUIT WITH ULTRA-LOW POWER CONSUMPTION BASED ON PULSE-CODING”(美國發(fā)明專利,專利號:US 11,418,179 B2)。該技術(shù)融合pulse與OOK (ON-OFF-KEY) 調(diào)制,但比pulse調(diào)制更為可靠,同時可以實現(xiàn)極低的低靜態(tài)功耗。在隔離CMOS數(shù)字IO時,CS817x器件可提供高電磁抗擾度和低輻射。所有器件版本均具有施密特觸發(fā)器輸入,可實現(xiàn)高抗噪性能。每條隔離通道的邏輯輸入和輸出緩沖器均由二氧化硅絕緣柵隔離。基本調(diào)制與解調(diào)的工作原理如下圖:
圖3 Pulse-coding容隔調(diào)制解調(diào)技術(shù)
通過檢測信號上升沿和下降沿來判斷和還原信號的高低電平,其他時間段芯片可以處于低功耗模式,從而整體上可以實現(xiàn)非常低的功耗。同時因為絕大部分時間器件處于低功耗狀態(tài),可以改善整體的EMI特性。
圖4 Pulse-coding容隔調(diào)制解調(diào)原理
CS817x2x系列產(chǎn)品的優(yōu)勢概括如下:
1)實現(xiàn)極低靜態(tài)和動態(tài)電流:90μA @ 3.3V,靜態(tài)條件 ;160μA @ 3.3V,200kbps傳輸速率;
2)Pulse-coding技術(shù):高可靠性、融合了OOK調(diào)制和脈沖調(diào)制的優(yōu)勢;
3)Refresh技術(shù):確保輸出與輸入的狀態(tài)在任何情況下一致;
4)固定解調(diào)時間窗口:極小的脈寬失真(PWD),最大100ns。
下表為CS817x2x選型表:
03 典型應用
根據(jù)隔離器在應用系統(tǒng)中實現(xiàn)的功能,可以分為:
a)模塊之間串口通信隔離
b)ADC輸出信號與MCU之間隔離
c)比較器輸出信號與MCU之間隔離
d)MCU控制信號與電機驅(qū)動器之間隔離
e)MCU控制信號與繼電器控制器之間隔離
f)具有不同參考地的MCU之間隔離
下面將列舉一些典型的應用案例。
● 01 吸油煙機
圖 5 展示了吸油煙機的電路框圖。220V單相電整流成310V的直流電,該直流電通過一個H橋驅(qū)動用于風扇的有刷直流電機。從框圖中可以看出數(shù)字隔離器主要用于對外通信,高壓側(cè)H橋的控制,高壓側(cè)電壓電流采樣和比較的隔離。
圖 5 吸油煙機示意框圖
● 02 PLC
圖 6 展示了PLC的電路框圖。CS817x2x適用于電網(wǎng)單向供電系統(tǒng)(器件400VRMS 隔離耐壓),工業(yè)可編程邏輯控制系統(tǒng)包含模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、通信接口等內(nèi)外部的連接模塊。
這些部分都需要隔離器進行隔離,以此來保護PLC控制器芯片。
圖 6 PLC示意框圖
圖 7為具有 PLC 輸入模塊的環(huán)路供電式現(xiàn)場發(fā)送器。該應用中,由于系統(tǒng)只能接收到4mA的供電電流,從而對每個芯片的靜態(tài)電流都有較高的要求,CS817x2x的單通道電流可以到90μA @ 3.3V,非常適合此類的應用。
圖 7 具有 PLC 輸入模塊的環(huán)路供電式現(xiàn)場發(fā)送器
● 03 智能電表
圖 8 展示了智能電表的電路框圖。主要用于單向電表。智能電表內(nèi)部一般有兩個模塊需要隔離,計量模塊與MCU之間,以及MCU與RS485收發(fā)器之間。CS817x2x具有200kbps的傳輸速率、極低的靜態(tài)和動態(tài)電流、40年的隔離壽命、以及較高的性價比,非常適合這類的應用。
圖 8 智能電表示意框圖
● 04 換電柜
圖 9 展示了換電柜的電路框圖。換電柜一般會有一塊主控板和很多塊充電倉從控制板,他們之間一般通過數(shù)字隔離器和接口收發(fā)器進行互聯(lián)互通。
圖 9 換電柜示意框圖
● 05 電動兩輪車
圖 10 展示了電動兩輪車的電路框圖。電動兩輪車一般采用48V蓄電池系統(tǒng),車身控制模塊,電機控制模塊,以及喇叭、照明、顯示、制動、加減速單元等。他們之間通過隔離器和接口,進行互聯(lián)互通。
圖 10 電動兩輪車示意框圖
04 總結(jié)
本文主要介紹川土微電子數(shù)字隔離器CS817x2x產(chǎn)品的特點,隔離參數(shù),以及典型應用。該產(chǎn)品具有較高的性價比,非常適合在400 VRMS電壓以下的系統(tǒng)中,作為信號的隔離使用。如想了解更多參數(shù),可參考該產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊。
來源: chipanalog
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