作者：Bill Giovino
关键词 : 隔离, 电源管理
许多工业自动化系统，特别是生产工厂中的系统，需要与使用成百上千伏高压的设备对接。基于半导体的隔离器常用于将这些高压与多数控制系统中使用的数字逻辑电压隔离，后者则要低得多，仅有5伏。例如，单封装双裸片光隔离器对瞬态高压具有高耐受性且对环境磁场具有抗扰性，因而广泛用于此目的。但是，设计人员要采用的技术须在时间和温度极限条件下更稳定，并且在生产方面复杂性更低。
本文解释了为什么以及如何使用单封装电流隔离器来安全隔离现代工业、医疗和电动汽车 (EV) 系统中使用的高压。然后，本文还将介绍来自Texas Instruments的两款面向高压、高可靠性系统的硅基电流隔离器，并讨论如何正确地将它们布置在印刷电路板上，以安全地隔离高压与可编程逻辑控制器 (PLC) 和人机界面中使用的数字逻辑电压。
为什么要隔离高压和低压？
许多工业系统是使用PLC、计算机或人机界面 (HMI) 进行控制。这些控制系统使用5伏或更低的标准数字控制电压来运行。当连接这些系统来管理120伏或更高的高压时，将低数字电压与高压设备进行物理分隔和电气隔离就很重要。此外，电源转换器、DC-DC转换器和电动汽车 (EV) 也需要谨慎地将数字控制电压与系统中可能使用的几千伏电压隔离。
尽管功率晶体管可以轻松处理这些应用，但它们不能安全地做到这一点。在这些应用中，晶体管在同一半导体衬底上提供数字和高压控制功能。当功率晶体管发生故障或物理损坏时，很快便会导致几千伏电压注入到数字逻辑中。除了破坏控制设备之外，这还会将用户置于风险中。
在过去，光隔离一直是对低压与高压系统进行物理分隔和电隔离的首选方法。典型的单封装双裸片光隔离器在一个裸片上包含LED，而LED发出的光（通常是红外光）穿过透明隔离栅，并照射到第二个裸片上的光电二极管接收器。光电二极管会将其转换为低压信号，并用于控制高压电路。
为了使光隔离器能够安全地控制几千伏电压，LED裸片和光电二极管裸片都会封装在透明的隔离栅内，并且隔离栅的材质能够承受光隔离器的额定电压。
光隔离器可耐受瞬态电子噪声，并且完全不受环境磁场的影响，因此成为高压电机控制应用的最佳选择。重负荷应用中所用的光隔离器可以承受10,000伏或更高的极高浪涌电压。
但是，光隔离器在极高温条件下表现不佳。此外，光隔离器中的LED会随着使用时长而老化。光隔离器也是双裸片器件，与单裸片半导体相比，制造过程更为复杂。
电流隔离
在可能出现极端温度且优先考虑使用寿命的应用中，可使用单封装电流隔离器。光隔离通过LED和光电二极管将两个电路分开，而电流隔离则通过使用基于二氧化硅 (SiO2) 的电容器或电感器的电荷耦合元器件，对两个电路进行电隔离。隔离的有效性取决于SiO2电介质。
电流隔离器是高速、长寿命的器件，可轻松与多数微控制器连接。最近推出的样品已经过测试，可承受高达6,000伏的电压，可在高达150°C的温度下运行，并且使用寿命超过35年。这可提高整个系统的安全性和可靠性，同时降低维护成本。
例如，Texas Instruments的ISO7762FDWR六通道通用数字隔离器可承受高达5,000伏RMS (VRMS) 的电压，并具有12,800伏的绝缘浪涌电压（图 1）。ISO7762有两个型号：ISO7762F的输出引脚OUT[A:F] 默认输出逻辑低，而无F后缀型号的默认输出逻辑状态为逻辑高。
图 1：Texas Instruments的 ISO7762F是一款六通道电流隔离器，其中包含四个正向通道和两个反向通道。（图片来源：Texas Instruments） ISO7762F具有两个功率域，左右各一个，由SiO2隔离层进行物理和电隔离。每个功率域都有自己的独立电源和接地引脚。
该器件具有四个正向通道和两个反向通道。两个反向通道（输入E和F）允许将来自高压系统的信息发送到数字控制系统，同时仍保持两个功率域的安全隔离。在任一方向传输的数据可以是简单的数字开/关数据，也可以是使用UART或双线I2C的串行数据。
对于每个通道，ISO7762F使用两个串联的SiO2电容器来分隔两个电压域。数字数据使用开关键控 (OOK) 调制进行传输，其中任何输入IN[A:F]上的逻辑1表示为跨电容器到另一个功率域的AC信号，逻辑0表示为0伏。对应的OUT[A:F]上的数据反映了输入引脚的逻辑状态。电容器中的SiO2电介质将两个功率域分隔，以安全地隔离高压控制电子器件与数字控制系统。
ISO7762F的设计人员加强了高隔离电阻，以实现最大的安全性。25°C时的隔离电阻额定值大于1兆欧 (TΩ)。150°C下的ISO7762F隔离电阻大于1吉欧
(GΩ)。从这个角度来说，该电阻高于ISO7762F周围环境空气的电阻。
Texas Instruments将ISO7762F的额定使用寿命定为至少37年，但电流隔离绝缘层的额定使用寿命超过135年。尽管通常不需要确保设备可在这么长的时间内正常运行，但这些数字表明了器件的可靠性和耐用性。
如需更高的耐压，Texas Instruments的ISO7821LLSDWWR是一款双通道差分隔离缓冲器，额定电压为5700VRMS，隔离浪涌电压为12,800伏（图2）。两个通道的方向相反。每个通道都是一个差分对发射器，用于低压差分信号 (LVDS) 数据通信，速度高达每秒150兆位 (Mbps)。
图 2：Texas Instruments的 ISO7821LLS数字隔离器具有两个方向相反的差分通道。每个输出缓冲器都有一个输出允许，可禁止输出并进入高阻抗状态。
（图片来源：Texas Instruments）
ISO7821LLS中用于电流隔离的SiO2与ISO7762F相同，不同之处在于，ISO7821LLS每个通道使用一个电容器，而不是每个通道串联两个电容器。该器件还使用相同的OOK调制跨SiO2电容器传输数字数据。
ISO7821LLS电流隔离驱动器可通过工业级电缆（例如，Belden的88723-002500重负荷型两对双绞线电缆）传输LVDS数据。这是一种高质量的工业电缆，在红色护套中带有两对22AWG双绞线。该电缆适合室内或室外使用，甚至可以埋于地下。该电缆可承受-70°C至+200°C的极端工作温度，因此非常适合要求严苛的高压工业应用，例如极热或极冷环境中的太阳能电源逆变器。控制单元可以通过该Belden电缆将LVDS控制数据双向传输至太阳能逆变器箱内的ISO7821LLS。由于逆变器箱中的故障而引起的任何高压浪涌都将在隔离器处停止，从而保护低压控制单元以及该单元附近的任何操作人员。
Texas Instruments的ISO7821LLS上的两个输出具有独立的使能引脚，可通过将输出置于高阻抗状态来禁用各自的输出。如果该器件位于具有多个驱动器的LVDS总线上，并且需要将该总线让与另一总线主控器，则该功能非常有用。这适用于需要在不同位置由多个控制单元操作高压设备的工业环境。
为了帮助设计人员评估ISO7821LLS，Texas Instruments提供了ISO7821LLSEVM评估板（图3）。该评估板需要极少的外部元器件，可用于评估ISO7821LLS的行为和性能，并允许监视LVDS总线通信以进行测试和基准测试。
图 3：Texas Instruments的 ISO7821LLSEVM评估模块可用于测试和评估 ISO7821LLS双通道差分隔离缓冲器的 LVDS数据通信性能。（图片来源：Texas Instruments）
由于每种高压应用都不同，因此ISO7821LLSEVM不适用于测试ISO7821LLS的高压隔离行为。
电流隔离器PCB布局
高压电流隔离器的布局必须非常谨慎，以确保有效隔离。对于低EMI印刷电路板设计，标准布局规则适用，其中包括使用至少四层的印刷电路板，顶层是高速印制线，其下为整体地面层，再其下是电源层。较慢的控制信号应在底层上。
印刷电路板上低压和高压元器件的物理隔离至关重要。为此，本文讨论的隔离器在封装的左右两侧具有单独的功率域。而且，一个域的印制线一定不能靠近另一个域的印制线，以防止信号干扰。
如果隔离器位于高压部分，则将低压侧朝向印刷电路板的边缘放置隔离器会更安全。这有助于防止任何高电压电弧放电至低压侧，这种电弧可能严重损坏隔离器另一端的任何低压电子器件。
总结
工业设备会使用几千伏电压，这就需要元器件能够将这些高压与5伏或更低的数字控制逻辑电压安全隔离，以保护设备及其用户。工业设备的性质要求这种隔离在长时间的极端温度变化中稳定可靠。
如本文所示，基于电流隔离的数字隔离器具有适合此类应用的隔离特性和工作温度规格。只需适当注意布局和配置，便可防止损坏或人身伤害。
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