許多工業(yè)自動(dòng)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(duì)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(duì)瞬態(tài)高壓具有高耐受性且對(duì)環(huán)境磁場(chǎng)具有抗擾性，因而廣泛用于此目的。但是，設(shè)計(jì)人員要采用的技術(shù)須在時(shí)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(dòng)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(jī)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(jì)算機(jī)或人機(jī)界面 (HMI) 進(jìn)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(yùn)行。當(dāng)連接這些系統(tǒng)來管理 120 伏或更高的高壓時(shí)，將低數(shù)字電壓與高壓設(shè)備進(jìn)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(dòng)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(diǎn)。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(shí)，很快便會(huì)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(huì)將用戶置于風(fēng)險(xiǎn)中。
在過去，光隔離一直是對(duì)低壓與高壓系統(tǒng)進(jìn)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(gè)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(gè)裸片上的光電二極管接收器。光電二極管會(huì)將其轉(zhuǎn)換為低壓信號(hào)，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(huì)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(chǎng)的影響，因此成為高壓電機(jī)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(huì)隨著使用時(shí)長(zhǎng)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(gè)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(duì)兩個(gè)電路進(jìn)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(zhǎng)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(cè)試，可承受高達(dá) 6,000 伏的電壓，可在高達(dá) 150°C 的溫度下運(yùn)行，并且使用壽命超過 35 年。這可提高整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性，同時(shí)降低維護(hù)成本。
例如，Texas Instruments 的 ISO7762FDWR 六通道通用數(shù)字隔離器可承受高達(dá) 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(gè)型號(hào)：ISO7762F 的輸出引腳 OUT[A:F] 默認(rèn)輸出邏輯低，而無 F 后綴型號(hào)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(gè)正向通道和兩個(gè)反向通道。（圖片來源：Texas Instruments）
ISO7762F 具有兩個(gè)功率域，左右各一個(gè)，由 SiO2 隔離層進(jìn)行物理和電隔離。每個(gè)功率域都有自己的獨(dú)立電源和接地引腳。
該器件具有四個(gè)正向通道和兩個(gè)反向通道。兩個(gè)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(shí)仍保持兩個(gè)功率域的安全隔離。在任一方向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以是簡(jiǎn)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(duì)于每個(gè)通道，ISO7762F 使用兩個(gè)串聯(lián)的 SiO2 電容器來分隔兩個(gè)電壓域。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)使用開關(guān)鍵控 (OOK) 調(diào)制進(jìn)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(gè)功率域的 AC 信號(hào)，邏輯 0 表示為 0 伏。對(duì)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(gè)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(jì)人員加強(qiáng)了高隔離電阻，以實(shí)現(xiàn)最大的安全性。25°C 時(shí)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?dú)W (GΩ)。從這個(gè)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(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)正常運(yùn)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(gè)通道的方向相反。每個(gè)通道都是一個(gè)差分對(duì)發(fā)射器，用于低壓差分信號(hào) (LVDS) 數(shù)據(jù)通信，速度高達(dá)每秒 150 兆位 (Mbps)。
圖 2：Texas Instruments 的 ISO7821LLS 數(shù)字隔離器具有兩個(gè)方向相反的差分通道。每個(gè)輸出緩沖器都有一個(gè)輸出允許，可禁止輸出并進(jìn)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(gè)通道使用一個(gè)電容器，而不是每個(gè)通道串聯(lián)兩個(gè)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(dòng)器可通過工業(yè)級(jí)電纜（例如，Belden 的 88723-002500 重負(fù)荷型兩對(duì)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(hù)套中帶有兩對(duì) 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?？刂茊卧梢酝ㄟ^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(hù)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(gè)輸出具有獨(dú)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(gè)驅(qū)動(dòng)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(gè)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(jì)人員評(píng)估 ISO7821LLS，Texas Instruments 提供了 ISO7821LLSEVM 評(píng)估板（圖 3）。該評(píng)估板需要極少的外部元器件，可用于評(píng)估 ISO7821LLS 的行為和性能，并允許監(jiān)視 LVDS 總線通信以進(jìn)行測(cè)試和基準(zhǔn)測(cè)試。
圖 3：Texas Instruments 的 ISO7821LLSEVM 評(píng)估模塊可用于測(cè)試和評(píng)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(cè)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(duì)于低 EMI 印刷電路板設(shè)計(jì)，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(hào)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(dú)的功率域。而且，一個(gè)域的印制線一定不能靠近另一個(gè)域的印制線，以防止信號(hào)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(huì)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(huì)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(hù)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(zhǎng)時(shí)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。
