許多工業(yè)自動化系統(tǒng)，特別是生產(chǎn)工廠中的系統(tǒng)，需要與使用成百上千伏高壓的設(shè)備對接。基于半導(dǎo)體的隔離器常用于將這些高壓與多數(shù)控制系統(tǒng)中使用的數(shù)字邏輯電壓隔離，后者則要低得多，僅有 5 伏。例如，單封裝雙裸片光隔離器對瞬態(tài)高壓具有高耐受性且對環(huán)境磁場具有抗擾性，因而廣泛用于此目的。但是，設(shè)計人員要采用的技術(shù)須在時間和溫度極限條件下更穩(wěn)定，并且在生產(chǎn)方面復(fù)雜性更低。
本文解釋了為什么以及如何使用單封裝電流隔離器來安全隔離現(xiàn)代工業(yè)、醫(yī)療和電動汽車 (EV) 系統(tǒng)中使用的高壓。然后，本文還將介紹來自 Texas Instruments 的兩款面向高壓、高可靠性系統(tǒng)的硅基電流隔離器，并討論如何正確地將它們布置在印刷電路板上，以安全地隔離高壓與可編程邏輯控制器 (PLC) 和人機界面中使用的數(shù)字邏輯電壓。
為什么要隔離高壓和低壓？
許多工業(yè)系統(tǒng)是使用 PLC、計算機或人機界面 (HMI) 進行控制。這些控制系統(tǒng)使用 5 伏或更低的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字控制電壓來運行。當(dāng)連接這些系統(tǒng)來管理 120 伏或更高的高壓時，將低數(shù)字電壓與高壓設(shè)備進行物理分隔和電氣隔離就很重要。此外，電源轉(zhuǎn)換器、DC 至 DC 轉(zhuǎn)換器和電動汽車 (EV) 也需要謹(jǐn)慎地將數(shù)字控制電壓與系統(tǒng)中可能使用的幾千伏電壓隔離。
盡管功率晶體管可以輕松處理這些應(yīng)用，但它們不能安全地做到這一點。在這些應(yīng)用中，晶體管在同一半導(dǎo)體襯底上提供數(shù)字和高壓控制功能。當(dāng)功率晶體管發(fā)生故障或物理損壞時，很快便會導(dǎo)致幾千伏電壓注入到數(shù)字邏輯中。除了破壞控制設(shè)備之外，這還會將用戶置于風(fēng)險中。
在過去，光隔離一直是對低壓與高壓系統(tǒng)進行物理分隔和電隔離的首選方法。典型的單封裝雙裸片光隔離器在一個裸片上包含 LED，而 LED 發(fā)出的光（通常是紅外光）穿過透明隔離柵，并照射到第二個裸片上的光電二極管接收器。光電二極管會將其轉(zhuǎn)換為低壓信號，并用于控制高壓電路。
為了使光隔離器能夠安全地控制幾千伏電壓，LED 裸片和光電二極管裸片都會封裝在透明的隔離柵內(nèi)，并且隔離柵的材質(zhì)能夠承受光隔離器的額定電壓。
光隔離器可耐受瞬態(tài)電子噪聲，并且完全不受環(huán)境磁場的影響，因此成為高壓電機控制應(yīng)用的最佳選擇。重負(fù)荷應(yīng)用中所用的光隔離器可以承受 10,000 伏或更高的極高浪涌電壓。
但是，光隔離器在極高溫條件下表現(xiàn)不佳。此外，光隔離器中的 LED 會隨著使用時長而老化。光隔離器也是雙裸片器件，與單裸片半導(dǎo)體相比，制造過程更為復(fù)雜。
電流隔離
在可能出現(xiàn)極端溫度且優(yōu)先考慮使用壽命的應(yīng)用中，可使用單封裝電流隔離器。光隔離通過 LED 和光電二極管將兩個電路分開，而電流隔離則通過使用基于二氧化硅 (SiO2) 的電容器或電感器的電荷耦合元器件，對兩個電路進行電隔離。隔離的有效性取決于 SiO2 電介質(zhì)。
電流隔離器是高速、長壽命的器件，可輕松與多數(shù)微控制器連接。最近推出的樣品已經(jīng)過測試，可承受高達 6,000 伏的電壓，可在高達 150°C 的溫度下運行，并且使用壽命超過 35 年。這可提高整個系統(tǒng)的安全性和可靠性，同時降低維護成本。
例如，Texas Instruments 的 ISO7762FDWR 六通道通用數(shù)字隔離器可承受高達 5,000 伏 RMS (VRMS) 的電壓，并具有 12,800 伏的絕緣浪涌電壓（圖 1）。ISO7762 有兩個型號：ISO7762F 的輸出引腳 OUT[A:F] 默認(rèn)輸出邏輯低，而無 F 后綴型號的默認(rèn)輸出邏輯狀態(tài)為邏輯高。
圖 1：Texas Instruments 的 ISO7762F 是一款六通道電流隔離器，其中包含四個正向通道和兩個反向通道。（圖片來源：Texas Instruments）
ISO7762F 具有兩個功率域，左右各一個，由 SiO2 隔離層進行物理和電隔離。每個功率域都有自己的獨立電源和接地引腳。
該器件具有四個正向通道和兩個反向通道。兩個反向通道（輸入 E 和 F）允許將來自高壓系統(tǒng)的信息發(fā)送到數(shù)字控制系統(tǒng)，同時仍保持兩個功率域的安全隔離。在任一方向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以是簡單的數(shù)字開/關(guān)數(shù)據(jù)，也可以是使用 UART 或雙線 I2C 的串行數(shù)據(jù)。
對于每個通道，ISO7762F 使用兩個串聯(lián)的 SiO2 電容器來分隔兩個電壓域。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)使用開關(guān)鍵控 (OOK) 調(diào)制進行傳輸，其中任何輸入 IN[A:F] 上的邏輯 1 表示為跨電容器到另一個功率域的 AC 信號，邏輯 0 表示為 0 伏。對應(yīng)的 OUT[A:F] 上的數(shù)據(jù)反映了輸入引腳的邏輯狀態(tài)。電容器中的 SiO2 電介質(zhì)將兩個功率域分隔，以安全地隔離高壓控制電子器件與數(shù)字控制系統(tǒng)。
ISO7762F 的設(shè)計人員加強了高隔離電阻，以實現(xiàn)最大的安全性。25°C 時的隔離電阻額定值大于 1 兆歐 (TΩ)。150°C 下的 ISO7762F 隔離電阻大于 1 吉歐 (GΩ)。從這個角度來說，該電阻高于 ISO7762F 周圍環(huán)境空氣的電阻。
Texas Instruments 將 ISO7762F 的額定使用壽命定為至少 37 年，但電流隔離絕緣層的額定使用壽命超過 135 年。盡管通常不需要確保設(shè)備可在這么長的時間內(nèi)正常運行，但這些數(shù)字表明了器件的可靠性和耐用性。
如需更高的耐壓，Texas Instruments 的 ISO7821LLSDWWR 是一款雙通道差分隔離緩沖器，額定電壓為 5700 VRMS，隔離浪涌電壓為 12,800 伏（圖 2）。兩個通道的方向相反。每個通道都是一個差分對發(fā)射器，用于低壓差分信號 (LVDS) 數(shù)據(jù)通信，速度高達每秒 150 兆位 (Mbps)。
圖 2：Texas Instruments 的 ISO7821LLS 數(shù)字隔離器具有兩個方向相反的差分通道。每個輸出緩沖器都有一個輸出允許，可禁止輸出并進入高阻抗?fàn)顟B(tài)。（圖片來源：Texas Instruments）
ISO7821LLS 中用于電流隔離的 SiO2 與 ISO7762F 相同，不同之處在于，ISO7821LLS 每個通道使用一個電容器，而不是每個通道串聯(lián)兩個電容器。該器件還使用相同的 OOK 調(diào)制跨 SiO2 電容器傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
ISO7821LLS 電流隔離驅(qū)動器可通過工業(yè)級電纜（例如，Belden 的 88723-002500 重負(fù)荷型兩對雙絞線電纜）傳輸 LVDS 數(shù)據(jù)。這是一種高質(zhì)量的工業(yè)電纜，在紅色護套中帶有兩對 22 AWG 雙絞線。該電纜適合室內(nèi)或室外使用，甚至可以埋于地下。該電纜可承受 -70°C 至 +200°C 的極端工作溫度，因此非常適合要求嚴(yán)苛的高壓工業(yè)應(yīng)用，例如極熱或極冷環(huán)境中的太陽能電源逆變器。控制單元可以通過該 Belden 電纜將 LVDS 控制數(shù)據(jù)雙向傳輸至太陽能逆變器箱內(nèi)的 ISO7821LLS。由于逆變器箱中的故障而引起的任何高壓浪涌都將在隔離器處停止，從而保護低壓控制單元以及該單元附近的任何操作人員。
Texas Instruments 的 ISO7821LLS 上的兩個輸出具有獨立的使能引腳，可通過將輸出置于高阻抗?fàn)顟B(tài)來禁用各自的輸出。如果該器件位于具有多個驅(qū)動器的 LVDS 總線上，并且需要將該總線讓與另一總線主控器，則該功能非常有用。這適用于需要在不同位置由多個控制單元操作高壓設(shè)備的工業(yè)環(huán)境。
為了幫助設(shè)計人員評估 ISO7821LLS，Texas Instruments 提供了 ISO7821LLSEVM 評估板（圖 3）。該評估板需要極少的外部元器件，可用于評估 ISO7821LLS 的行為和性能，并允許監(jiān)視 LVDS 總線通信以進行測試和基準(zhǔn)測試。
圖 3：Texas Instruments 的 ISO7821LLSEVM 評估模塊可用于測試和評估 ISO7821LLS 雙通道差分隔離緩沖器的 LVDS 數(shù)據(jù)通信性能。（圖片來源：Texas Instruments）
由于每種高壓應(yīng)用都不同，因此 ISO7821LLSEVM 不適用于測試 ISO7821LLS 的高壓隔離行為。
高壓電流隔離器的布局必須非常謹(jǐn)慎，以確保有效隔離。對于低 EMI 印刷電路板設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)布局規(guī)則適用，其中包括使用至少四層的印刷電路板，頂層是高速印制線，其下為整體地面層，再其下是電源層。較慢的控制信號應(yīng)在底層上。
印刷電路板上低壓和高壓元器件的物理隔離至關(guān)重要。為此，本文討論的隔離器在封裝的左右兩側(cè)具有單獨的功率域。而且，一個域的印制線一定不能靠近另一個域的印制線，以防止信號干擾。
如果隔離器位于高壓部分，則將低壓側(cè)朝向印刷電路板的邊緣放置隔離器會更安全。這有助于防止任何高電壓電弧放電至低壓側(cè)，這種電弧可能嚴(yán)重?fù)p壞隔離器另一端的任何低壓電子器件。
總結(jié)
工業(yè)設(shè)備會使用幾千伏電壓，這就需要元器件能夠?qū)⑦@些高壓與 5 伏或更低的數(shù)字控制邏輯電壓安全隔離，以保護設(shè)備及其用戶。工業(yè)設(shè)備的性質(zhì)要求這種隔離在長時間的極端溫度變化中穩(wěn)定可靠。
如本文所示，基于電流隔離的數(shù)字隔離器具有適合此類應(yīng)用的隔離特性和工作溫度規(guī)格。只需適當(dāng)注意布局和配置，便可防止損壞或人身傷害。
