在惡劣的電機(jī)應(yīng)用環(huán)境中，應(yīng)用要求能夠抵御高壓瞬變，防止數(shù)據(jù)受擾，并且消除高壓電壓力對(duì)隔離器隔離壽命的影響。此類(lèi)應(yīng)用的典型隔離解決方案是光耦合器，其內(nèi)部絕緣層很厚，可以承受高壓，但缺點(diǎn)是要使用發(fā)光二極管(LED)，其光強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間推移和溫度變化而降低，這就會(huì)帶來(lái)設(shè)計(jì)和可靠性問(wèn)題。

新型數(shù)字隔離器不使用LED，消除了可靠性問(wèn)題，改善了絕緣能力，可與光耦合器相媲美，除此之外，它們的優(yōu)勢(shì)是對(duì)高壓瞬變的抗擾度更強(qiáng)，能夠更好地滿足電機(jī)控制應(yīng)用的要求。

認(rèn)識(shí)數(shù)字隔離器，從基本框架開(kāi)始

數(shù)字隔離器結(jié)構(gòu)和技術(shù)如圖1中的示例框圖所示。根據(jù)具體架構(gòu)，數(shù)字隔離器響應(yīng)輸入邏輯電平或輸入脈沖?？墒褂貌煌椒ň幋a和解碼信號(hào)，以便跨越隔離柵收發(fā)邏輯數(shù)據(jù)。

圖1. 數(shù)字隔離器框圖

脈沖編碼技術(shù)如圖2所示，其優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)編碼和解碼脈沖之間的時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，低數(shù)據(jù)速率下消耗的電源電流較低。

圖2. 數(shù)字隔離器：脈沖編碼數(shù)據(jù)架構(gòu)

載波技術(shù)如圖3所示，即所謂開(kāi)關(guān)鍵控(OOK)，其在低數(shù)據(jù)速率時(shí)消耗的電流多于脈沖編碼方法。在較高數(shù)據(jù)速率(10 Mbps以上)時(shí)，OOK方法消耗的電源電流少于脈沖編碼技術(shù)。OOK技術(shù)相比于脈沖編碼技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于，OOK技術(shù)的邏輯更簡(jiǎn)單，故而傳播延遲更低，最大數(shù)據(jù)速率更高。

圖3. 數(shù)字隔離器：開(kāi)關(guān)鍵控?cái)?shù)據(jù)架構(gòu)

脈沖編碼技術(shù)的缺點(diǎn)是：如果外部噪聲擾亂了輸出數(shù)據(jù)，這種狀況會(huì)持續(xù)一微秒或更長(zhǎng)時(shí)間，直至內(nèi)部糾錯(cuò)邏輯糾正錯(cuò)誤或出現(xiàn)新的數(shù)據(jù)沿。對(duì)于電機(jī)控制應(yīng)用，這可能意味著柵極驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)或反饋控制信號(hào)會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)失控，該時(shí)間足夠長(zhǎng)，以至于開(kāi)關(guān)電路或電機(jī)驅(qū)動(dòng)可能受損。利用OOK技術(shù)，如果電壓瞬變擾亂數(shù)據(jù)，這種擾亂只會(huì)在噪聲出現(xiàn)的短暫時(shí)間內(nèi)干擾數(shù)據(jù)輸出，因?yàn)樾盘?hào)是被持久不變地驅(qū)動(dòng)的。此外，由于架構(gòu)較簡(jiǎn)單，OOK數(shù)字隔離器可以設(shè)計(jì)得非常魯棒，不懼電機(jī)控制應(yīng)用中的電氣噪聲。

數(shù)字隔離器的抗擾度如何？

在大型電機(jī)應(yīng)用中，當(dāng)電機(jī)控制開(kāi)關(guān)電路在橋電壓中產(chǎn)生步進(jìn)變化時(shí)，隔離柵上的共模電壓變化可能會(huì)產(chǎn)生噪聲。隔離器耐受此高壓擺率電壓瞬變且隔離器輸出不受干擾的能力，便是共模瞬變抗擾度(CMTI)。光耦合器的CMTI可能不是很高，因?yàn)槠浣邮赵浅Ｃ舾?，易受容性耦合效?yīng)影響。光耦合器的容性耦合是一種單端結(jié)構(gòu)，信號(hào)和噪聲只有一條路徑跨越隔離柵。這就要求信號(hào)頻率必須遠(yuǎn)高于預(yù)期的噪聲頻率，以便隔離柵電容對(duì)信號(hào)提供低阻抗，而對(duì)噪聲提供高阻抗。當(dāng)電機(jī)控制信號(hào)頻率較低時(shí)(通常低于16 kHz)，共模瞬變的高頻成分會(huì)高于信號(hào)頻率，其幅度可能足以擾亂光耦合器輸出。

考察圖4所示的基于變壓器的數(shù)字隔離器，變壓器有一個(gè)差分輸入結(jié)構(gòu)，其為輸入信號(hào)和噪聲提供了不同的傳輸路徑，因此必然具有更大的共模噪聲抗擾度，而且不存在光耦合器要求信號(hào)頻率高于噪聲頻率的限制。改進(jìn)的電氣噪聲抗擾度使得器件能在高噪聲環(huán)境下可靠地工作。

圖4. 變壓器耦合數(shù)字隔離器框圖

圖5顯示了電機(jī)控制開(kāi)關(guān)期間共模瞬變的高橋電壓和快速dV/dt的開(kāi)關(guān)噪聲，數(shù)字隔離器必須能抵抗這種干擾。

圖5. 電機(jī)控制應(yīng)用中的共模瞬變dV/dt

示波器波形顯示，對(duì)于開(kāi)關(guān)鍵控架構(gòu)的變壓器耦合數(shù)字隔離器，要擾亂數(shù)據(jù)，從GND2到GND1的快速共模瞬變(CMT)須高于150 kV/μs，而且隔離器輸出受擾亂的時(shí)間非常之短，只有區(qū)區(qū)3 ns。實(shí)現(xiàn)超高CMTI的關(guān)鍵在于發(fā)送器必須不斷產(chǎn)生差分載波信號(hào)，并且接收器必須具有很高的輸入共模變化抗擾度。

必須關(guān)注的浪涌保護(hù)能力

電機(jī)控制應(yīng)用中可能出現(xiàn)高壓瞬變或浪涌，此類(lèi)浪涌的峰值可能超過(guò)10,000 V，而上升時(shí)間僅有1.2 μs。光耦合器通過(guò)很厚的內(nèi)部絕緣層來(lái)滿足浪涌保護(hù)要求。對(duì)于采用二氧化硅的數(shù)字隔離器，為使內(nèi)部應(yīng)力不致引起裂縫，可制成的絕緣厚度是有限制的。采用聚酰亞胺的數(shù)字隔離器絕緣可以改善浪涌保護(hù)能力，分為多層制造且總厚度為30 μm的聚酰亞胺絕緣業(yè)已證明非常有效。在圖6中，30 μm聚酰亞胺的浪涌測(cè)試結(jié)果表明它非常魯棒，可以耐受±20 kV峰值。