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数字隔离元件应用介绍(2)

数字隔离元件应用介绍(2)

点击数:7659 次   录入时间:03-04 11:58:30   整理:http://www.55dianzi.com   电工基础
光耦合器多年来都是本质安全型系统(intrinsicallysafesystem)的主要隔离元件。模拟光耦合器可将模拟信号传送通过隔离层,这些光耦合器只要传输速率在100kbps以下就具有成本相对较低的优势。不幸的是,光耦合器会佔用很大的空间(每个封装通常只能提供一个通道,还需要多颗离散元件支援),资料产出也相当有限(最多仅数十个Mbps)。更糟的是,光耦合器需要多颗离散零件与它搭配,其效能还会随着环境温度的增加而下降。

随着系统温度升高,光耦合器的驱动电流需求在许多情形下会增加一倍,这是因为电流传送比(CTR,代表输入信号传送到输出端的比值)会随着温度从25℃升高至100℃而减少六成。这会增加光耦合器驱动电流和系统散热需求。这种温度变化在马达控制应用中极为常见。光耦合器虽然受到许多限制,但它们通常都能提供3kV的电压隔离能力,耗电量则只有数百毫瓦。


图4:射频偶合器概要图
 
数字隔离元件提供单向、高灵敏度、稳定和可重复的切换点,它会使用标准CMOS晶片级技术制造内部变压器以便利用氧化硅提供电气隔离。射频耦合器高达150Mbps的峰值资料速率比传统光耦合器超过10倍以上。另外,射频耦合器采用的CMOS技术还能继续升级以支援未来更高资料产出。

射频耦合器的暂态耐受性超过30kV/μs,光耦合器只有10kv/μs。它们还提供2500VRMS的电气隔离能力。射频耦合器的制程参数比较不容易受到制程效应影响,故对温度变动的抵抗能力也优于光耦合器,许多射频耦合器的操作温度最高都能达到125℃。相较于光耦合器,射频耦合器的最大优点在于体积更精巧。它们通常使用每个通道仅需很小晶粒面积的方式制造,许多产品甚至还採用SOIC封装技术,这使得每个封装都能提供多个通道。射频耦合器的缺点是操作范围相当有限,这使它们在高电压产品的应用受到极大限制。射频耦合器通常只能使用5V电压操作。图5显示数字隔离元件对于电路板面积的影响。


图5:光耦合器与数字隔离元件的布局比较

表1:光耦合器与数字隔离元件的比较
 
安全考量

这类应用(尤其是需要本质安全的应用)多数都需要2500VRMS的隔离能力才能保护使用者不受电击。举例来说,220-240V应用就需要两倍保护能力以确保作业员安全。为了提供两倍的隔离保护,终端系统在安全超低电压(SELV,电压<30VRMS)和危险电压(电压>30VRMS)之间的8毫米隔离边界范围内不能有任何铜线路通过。这个边界区域应採用焊阻等均匀覆层,跨越这个边界的任何装置至少必须提供2500VRMS的隔离能力。除此之外,终端设备认证经常会包含两种产品安全标准,分别是测试与量测设备的IEC61010-1以及资讯科技设备的IEC60950-1标准。

为减少终端产品通过IEC61010-1和60950-1认证所需的时间与成本,隔离元件通常会先接受CSA国际验证部(CSAInternational)UnderwriterLaboratories的ComponentPrograms以及CertificationInstitute的VDETesting认证。这类零件认证程序多半极为严格,它们通常包含JEDEC型样认证以及由独立测试机构执行60秒额定隔离电压的耐压测试(hi-pottesting)。完成初步认证后,认证机构还会到厂商的生产厂房进行现场核查,他们会让隔离元件在额定隔离电压下接受1秒的生产耐压测试以确保符合标准要求。常见的零件认证标准包括:UL1577、CSA#5A和VDE60747-5-2。

数字控制系统需要速度更快的隔离技术。然而正如本文所述,目前要在各种音频、视频和工业系统中实作高速隔离层却会在频宽方面遇到许多瓶颈。设计人员在发展本质安全型系统(intrinsicallysafesystem)时可利用两种架构解决隔离元件造成的瓶颈问题。在所有耦合器中,唯有新出现的硅晶隔离元件技术才能解决隔离资料产出的问题。总而言之,数字隔离元件技术提供最低成本、最小延迟时间、最高位元速率和最大整合度的隔离路径。这项新出现的可扩充技术克服了使用隔离模拟资料传输时所须面对的数字障碍。


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