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为什么使用开关键控数字隔离器?

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为什么需要隔离?数据传输如何影响隔离器性能?不同架构的利弊是什么?恶劣环境下,为何要使用开关键控数字隔离器……

 

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为什么需要隔离

工业和消费电子领域很多地方存在危险电压。必须采取措施保护人员和设备,以免受到长期电位差和暂时过压条件或故障的损害,并且确保满足地方和全球的安全法规。

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iCoupler技术:最大程度地消除隔离相关弊端

新的iCoupler技术可将隔离相关的损失降至最低。 隔离器将A点与B点隔离开来并允许信息流动,但不会有电流流过隔离栅。 相关应用特点:安全、高压、长距离和精密通信等。 传统上使用光耦合器, 但它有一些问题, 例如:会磨损, 吞吐速率低,耗电量大,封装尺寸很大。 相比之下,iCoupler变压器隔离尺寸较小,成本较低,性能更高,功耗更低。 您可以集成其他功能,这种隔离安全可靠。

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隔离器可通过四个特性来定义。

  • 绝缘材料。可以是聚酰亚胺或二氧化硅。
  • 耦合元件。可以是LED、变压器或电容。
  • 数据传输。它可以是边沿编码、开关键控或脉宽调制。
  • 封装。其特性有材料等级、爬电距离和电气间隙等。

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数据传输如何影响隔离器性能

哪些因素决定隔离器的电气性能?

  • 编码。在编码中会有一些编码开销,编码可以是电平编码或脉冲编码。 这涉及到延迟和速度性能。
  • 传输。传输效率取决于它是光、磁场或电感还是电场或电容。这影响的是功耗或速度性能。
  • 接收器的效率。接收器可以是光电晶体管或PIN二极管、芯片级电感或差分电容。 功耗和延迟会受到影响。
  • 解码器。数据解码会有一些开销;对于光耦合器,它可能是放大或偏置。 对于数字隔离器,它是数据处理或时间。 功耗和延迟性能可能会受影响。

 

 

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数据传输的演化

数据传输在发展,编码方案也在不断发展,但未必会消失。 每种方法都有优点和缺点。 并不存在灵丹妙药。 针对新产品要求而选择和定制的方案可能会使用一段时间。 左下方所示为光耦合器,是最原始的隔离器,随后是较新型的数字隔离器ADuM140x或单端耦合器,接着是ADuM144x,它采用单端脉冲编码,具有微功耗特性。 再后面是ADuM128x,采用差分脉冲编码,我们将会进一步讨论它,还有ADuM14x,采用差分开关键控,是一种非常鲁棒的隔离器。 最后是右上方的ADN4651,它采用差分脉冲编码,提供超快传输速度。

 

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架构权衡:单端脉冲编码&差分脉冲编码&开关键控

采用单端脉冲编码的有ADuM140x、ADuM144x等。 其工作原理是对脉冲编码,可检测数据边沿。 上升沿编码为两个脉冲,下降沿编码为一个脉冲。 数据通过变压器传输,然后进行解码。 两个脉冲成为上升沿,一个脉冲成为下降沿,全部数据都是这样分布。 与光耦合器相比,单端脉冲编码有哪些特性? 在低数据速率时功耗非常低,并且具有高共模抑制、低传播延迟、高数据速率和低静态电流性能。

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检测数据时,上升沿编码为正脉冲, 下降沿编码为负脉冲。 数据通过变压器传输,然后解码脉冲,正边沿就是上升沿,负边沿就是下降沿。 差分编码有哪些特性? 在高频时功耗较低,在低频时功耗较高;传播延迟较低,数据速率较高,抗扰度更好,发送至变压器的驱动信号较低,辐射更低。 以上特性是相对于单端而言的。

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ADuM14x采用开关键控。 首先检测数据电平。 对于高输入电平,它解码为载波开启;对于低输入电平,它解码为载波关闭。 载波通过变压器发送,然后进行解码。 载波开启表示高电平,载波关闭表示低电平。 与脉冲编码相比,差分开关键控的特性是传播延迟最低且数据速率更高。 它使用差分接收器,因而具有出色的噪声性能和鲁棒性。 在高频时,功耗较低;在低频时,功耗较高。

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采用开关键控架构的新产品

ADI有一个新的开关键控iCoupler数据隔离器系列,包括单通道至四通道产品。 其鲁棒性极佳, 能耐受3 kV注入噪声而不会被扰乱,而且辐射很低。 它们是最安全的产品,峰值浪涌能力达到15 kV,耐受电压为5 kV,工作电压高达600 V rms。 另外,它们也是速度最快的产品,传输速率达150 MSPS,传播延迟小于13 ns,抖动小于150 ps。 对于小型封装的爬电距离要求,它们是最合适的产品。 动态功耗也是最低的,每个通道每Mbps仅消耗0.3 mW。 它还支持低压至高压I/O和1.7 V的内核,功耗为5 [mW]。

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在恶劣的环境下使用开关键控数字隔离器

开关键控对哪些应用有利? 在高噪声和高共模瞬变环境下可获得最佳性能, 例如太阳能逆变器、电机驱动或混合动力汽车。 这些应用使用高功率开关,例如MOSFET或IGBT,其电流和电压均很高。 它们会发生快速瞬变,引起噪声或共模干扰。 为了提高能效,这些应用的趋势是开关速度越来越高。 当前的IGBT采用氮化镓或碳化硅工艺后,将来仍然适用。 这需要更快速的栅极驱动器和更严格的时序。

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低传播延迟偏斜有什么好处? 传播延迟偏斜是一个单元[技术困难]......之间的传播差异,因而必须将消隐或死区时间插入脉宽调制器,防止两个功率开关同时导通。 右上方波形上的黑色区域就是死区时间。 采用开关键控架构可以降低传播延迟偏斜,使死区时间最短。 这将有助于降低电机电流失真,使电机运行平稳,减少轴承或联轴器,提高能效。

 

右下方有两个波形,左边波形显示死区时间只有500 ns,波形看起来像一条光滑的正弦曲线。 右边波形显示死区时间提高到1 μs,波形失真很明显。

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iCoupler数据架构比较

比较一下iCoupler数据架构,看看它们的具体性能。 比较对象是单端脉冲编码ADuM140x、差分脉冲编码ADuM128x和差分开关键控ADuM14x。 可以看到,单端和差分的传播延迟较高,分别为32和24,而开关键控较低,性能最佳。 开关键控的最大速度为150 Mbps。 静态功耗较高,但动态功耗较低。 开关键控每通道每Mbps的功耗为0.3 mW,差分和单端分别为1 mW和1.6 mW。 还有交流CMTI, 开关键控的CMTI为75 kV/μs,另外两款产品是25到50 kV/μs。

 

开关键控的EMI裕量优越得多,比B类限值低-6 dB;差分脉冲编码只有-2 dB,只比单端脉冲编码好一点。 EMI裕量领先很多,抗扰度则领先更多。 对于注入噪声,可以看到开关键控能够承受的注入噪声为3,500 V,单端和差分器件分别只有400 V和600 V。

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总之,数据编码和传输有许多方案可供选择,每种方案都有优点和缺点。 我们讨论了单端、差分脉冲编码和开关键控,不同架构对各应用有不同的优势。 ADI的技术可满足广泛应用的需求,从微功耗、ksps级低端功率处理能力到超高速、低偏斜隔离,应有尽有。 鲁棒性是新型隔离器向前发展的关键指标,我们的产品具有最佳的共模瞬变抗扰度、直接功率注入和辐射性能。

結果