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数字隔离器设计指南(1)

  【2022.11.05.】

  本设计指南有助于电隔离系统的系统设计人员在最短的时间内开始使用TI广泛的数字隔离器和隔离功能组合进行设计。该产品组合包括ISO78xx系列5.7kVrms增强型数字隔离器、ISO67xx和ISO77xx系列5kVrms数字隔离器、ISO73xx系列3kVrms数字隔离器,以及ISO71xx系列2.5kVrms数字隔离器等。本文件解释了隔离器的基本工作原理,建议将其置于系统设计中,并推荐了电磁兼容(EMC)电路板设计指南。更多信息可在各自的产品数据表和EVM手册中找到。

  1 工作原理
  隔离是一种防止系统两部分之间出现直流和不需要的交流电流的手段,同时允许这两部分之间的信号和功率传输。用于隔离的电子器件和半导体集成电路被称为隔离器。一般来说,隔离器可被抽象为包括一个高压隔离元件或屏障、一个将信号耦合到隔离元件一侧的发射器(TX)以及一个将隔离元件另一侧的可用信号转换为数字电平的接收器(RX)。
  TI的隔离器使用基于SiO2(二氧化硅)的高压电容器来作为隔离元件。对于TX和RX电路,采用了两种不同的架构:基于边缘和基于开关键控(OOK)。这些架构将在第1.1节和第1.2节中解释。

  1.1 基于边缘的通信
  基于边缘的通信的概念框图如图1所示。ISO73xx、ISO74xx、ISO71xx、ISO76xx、ISO75xx和ISO72xx系列的隔离器都以某种形式使用这种架构。
  该器件至少由两个数据通道组成,一个是带宽从100kbps到150Mbps的高频通道(HF),另一个是覆盖从100kbps到直流的低频通道(LF)。
  原则上,进入高频通道的单端输入信号通过输入端的反相门被分割成一个差分信号。下面的电容电阻网络将信号区分为小而窄的瞬态,然后由两个比较器将其转换为轨到轨的差分脉冲。比较器的输出驱动一个或非门触发器,其输出供给一个输出多路复用器。触发器驱动输出端的决策逻辑(DCL)测量信号瞬态之间的持续时间。如果两个连续的瞬态之间的持续时间超过一定的时间限制(如在低频信号的情况下),DCL迫使输出多路复用器从高频切换到低频通道。
  由于低频输入信号需要内部电容承担过大的数值,这些信号用内部振荡器的载波频率进行脉宽调制(PWM),从而产生一个足够高的频率,能够通过电容屏障。由于输入被调制,因此需要一个低通滤波器(LPF),以便在将实际数据传递给输出多路复用器之前将高频载波去除。

图1
  图1. 基于边缘架构的概念框图

  1.2 基于开关键控(OOK)的通信
  图2显示了基于OOK的通信的概念性操作。相应的信号显示在图3中。ISO67xx、ISO78xx和ISO77xx系列中的隔离器采用这种架构。
  在这种架构中,输入的数字比特流被内部扩频振荡器时钟调制,以产生OOK信号,这样,输入状态之一被代表为传输载波频率,而另一个状态则不传输。这个调制信号被耦合到隔离屏障上,并以衰减的形式出现在接收端。接收路径包括一个前置放大器,用于提高输入信号的增益,然后是一个作为解调器的包络检测器,用于重新生成原始数字模式。TX和RX信号调节电路用于改善通道的共模抑制,从而提高共模瞬态抗扰度(CMTI)。

图2
  图2. 开关键控(OOK)架构的概念框图

图3
  图3. OOK架构中的代表信号

  2 数字隔离器和隔离功能的典型应用

图4
  图4. 16引脚封装的隔离器实例

  图4是一个典型的数字隔离器的引脚图。它由两个电源组成。VCC1和VCC2,两个接地。GND1和GND2,两侧的输入和输出引脚分别与各自的地相连。也就是说,在图2-1中,1至8号引脚指向GND1,9至16号引脚指向GND2。
  数字隔离器使用单端、CMOS或TTL逻辑、开关技术。VCC1和VCC2两个电源的电压范围通常为3V至5.5V,不过有些器件可能支持更大的电源电压范围。例如,ISO78xx器件可以在低至2.25V的电源下工作。在使用数字隔离器进行设计时,必须牢记,由于单端设计结构,数字隔离器不符合任何特定的接口标准,只用于隔离单端数字信号线。
  隔离功能是指附加功能的器件,如收发器或栅极驱动器与隔离器一起被集成。一个例子是本节后面描述的集成隔离式RS485。与数字隔离器不同,隔离功能可能需要符合某些标准。例如,一个隔离的I2C缓冲器将与I2C标准兼容。另外,一个隔离功能可能需要更高的电源,例如,一个隔离栅极驱动器可能使用±15V来驱动一个IGBT栅极。
  在现代电气系统中,由于各种原因需要隔离。一些例子是为了保护人类操作者免受高压瞬变的影响,并防止高压系统中昂贵的处理器、ASIC或FPGA的损坏,打破通信网络中的接地回路,以及与电机驱动或功率转换器系统中的高压侧器件进行通信。需要隔离的应用实例包括工业自动化系统、电机驱动、医疗设备、太阳能逆变器、电源和混合电动汽车(HEV)。
  本节将介绍数字隔离器和隔离功能的一些应用实例。阅读更多关于数字隔离器在共模瞬态抗扰度和高工作电压方面的性能,见《利用高性能数字隔离技术推陈出新》白皮书。关于更多的例子、详细的应用图和使用案例,请参考各自的产品数据表。
  图5展示了最简单的隔离器应用。在这里,整个电路构成了一个单端、低压系统,其中一个数字隔离器将控制器的SPI接口与数据转换器的SPI接口连接起来。在SPI接口中最常用的隔离器是ISO7x31和ISO7x41,因此通常被称为3通道和4通道SPI隔离器。关于隔离式SPI的实现,请阅读《如何在标准接口电路中用数字隔离器取代光耦合器》,以及《在电池管理系统(BMS)中用隔离式SPI和I2C简化电流和电压监测》。

图5
  图5. 隔离的SPI接口

  图6中完整的、隔离的RS-232接口需要两个四路隔离器,因为除了实际的数据线、RX和TX之外,还需要六个控制信号。尽管整个系统是单端,但由于对称的13V总线电源的高电压要求,有必要对UART和总线收发器的低压侧之间的数据链路进行电隔离。另外,13V的直流母线可能是由更高的电源产生的,在这种情况下,隔离也是一种保护手段,防止系统电源线上出现高压瞬变。

图6
  图6. 隔离的RS-232接口

  与图6的例子一样,图7中RS-485接口的隔离发生在控制器和总线收发器之间。尽管整个接口电路是一个低电压系统,但传输总线的差分性质要求在单端侧进行事先隔离。在一个多节点的分布式RS-485网络中,不同的节点可能会参考不同电位的地线,在这种情况下,隔离可以通过这些地线电位之间的电平转换实现通信。

图7
  图7. 隔离的RS-485接口

  由于图8所示接口的简单性,有可能将隔离器功能集成到收发器电路中,从而提供一个具有低成本和低元件数的特定应用隔离器装置。图8是一个隔离功能的例子。关于如何实现这些RS-485解决方案的图示,请阅读《如何为RS-485系统隔离信号和电源》。

图8
  图8. 集成的隔离式RS-485接口

  这里没有涵盖数字隔离器和隔离功能的所有应用。这些只是一些例子,以了解隔离器在系统中的放置方式。关于更多的例子、详细的应用图和使用案例,请参考各自的产品数据表。

  3 数字隔离器选择指南
  本节首先介绍了在选择数字隔离器或隔离功能时需要注意的关键参数,然后简要介绍了TI目前提供的隔离器和隔离功能系列。请参考以下链接以获得全面的隔离器选择指南。
  有关指导您选择最佳数字隔离器系列的步骤流程图,请访问 https://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/posts/how-to-select-a-digital-isolator
  有关所有隔离器产品的概述,以及不同参数化产品选择指南的链接,请访问:http://www.ti.com/isolation/overview.html
  有关数字隔离器的参数化选择指南,请访问:https://www.ti.com/isolation/digital-isolators/products.html
  关于隔离式RS485收发器的参数化选择指南,请访问:https://www.ti.com/isolation/isolated-interfaces/rs-485-transceivers/products.html

  3.1 感兴趣的参数
  本节简要介绍了典型隔离器数据表中的一些参数,以及它们与系统设计的相关性。
  隔离性能:
  1. 最高瞬态隔离电压(VIOTM)和隔离耐受电压(VISO)表示隔离器承受临时(小于60秒)高电压的能力。
  2. 最高重复峰值电压(VIORM)和工作电压(VIOWM)表示隔离器在其整个使用寿命中可承受的连续电压。
  3. 最高浪涌隔离电压(VIOSM)表示隔离器可承受的最高脉冲电压(上升时间为1.2µs,衰减时间为50µs的波形)。
  时序参数:
  1. 数据速率。
  2. 传输延迟在系统中很重要,因为往返延迟会增加时间预算(例如,SPI接口),或者延迟是控制环路的一部分。
  3. 如果时序预算依赖于通道之间的匹配,那么传输延迟偏移就很重要;例如,如果时钟在一个通道上传输,数据在同一方向的另一个通道上传输。
  4. 毛刺滤波器。一些数字隔离器带有一个集成的毛刺滤波器,即使在嘈杂的环境中也能很好地运行。然而,毛刺滤波器会增加传输延迟并降低数据速率。
  共模瞬态抗扰度(CMTI)
  CMTI表示隔离器能够容忍其地之间电位差的快速变化,或者换句话说,共模的快速变化,而不会导致误码。高CMTI表明有一个强大的隔离通道。
  功率消耗:
  在感兴趣的数据速率下每个通道的功耗。
  封装:
  1. 爬电距离和电气间隙:沿着封装表面并穿过隔离器一侧引脚之间的空气到另一侧引脚的距离。系统级标准规定了基于工作电压、瞬态电压峰值和浪涌电压的这些参数的最低值。
  2. 相对漏电起痕指数(CTI)表示封装模具化合物处理稳定的高电压而不发生表面退化的能力。较高的CTI允许在相同的工作电压下使用更小的封装。

  3.2 隔离器系列
  有关TI的数字隔离器系列和隔离功能的主要特点,请访问:https://www.ti.com/isolation/digital-isolators/overview.html

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