TI推出用于高壓應用中增強信號隔離的光模擬器

德州儀器公司(TI)推出了一種新的信號隔離半導體產品組合，稱為光模擬器(ISOM8710和ISOM8110)。這些設備旨在增強信號完整性，降低功耗，延長高壓工業和汽車應用的壽命。TI的光模擬器與行業中常用的光耦合器兼容，使其易于集成到現有設計中，同時受益于TI專有的基于二氧化硅(SiO2)的隔離技術。這項技術旨在解決與光耦合器中常用的LED相關的老化效應的挑戰。

TI隔離產品線經理Azhar
Mohammed在接受《電力電子新聞》獨家采訪時表示，光模擬器代表著在高壓信號隔離領域相對于傳統光耦合器的重大進步。光模擬器的主要區別和優勢在于：

電介質材料：光模擬器使用SiO2作為電介質，與光耦合器中常見的氣隙相比，提供了優異的絕緣性能。

溫度范圍：光模擬器可以在–55°C至125°C的寬溫度范圍內運行，同時保持穩定的性能。

數據速率：光模擬器提供了改進的數據速率性能，使其成為高速應用的更好選擇。數字信號的數據速率高達25
Mbps(ISOM8710)，模擬信號的高帶寬為680 kHz(ISOM8110)。

瞬態抗擾度：與光耦合器相比，光模擬器表現出明顯更好的共模瞬態抗擾性(CMTI)，使其更能抵抗高壓系統中的開關噪聲。ISOM8710的典型CMTI為150
kV/μs。

穆罕默德說：“這些優勢使光模擬器成為高壓應用中信號隔離的更可靠、更高效的選擇，解決了與LED老化和傳統光耦中隔離屏障退化相關的長期挑戰?！?。

穆罕默德表示，專有的SiO2基隔離技術是提高最終產品性能和壽命的首選，尤其是與其他隔離方法相比。SiO2具有卓越的介電強度，額定值約為500
Vrms/μm。這種特殊的介電性能使其成為半導體應用中使用的最佳絕緣材料之一，使其成為隔離目的的高度可靠的選擇。

穆罕默德說：“它的一個突出特點是耐潮濕?！??！岸趸栝L時間暴露在環境濕度下不會降解，這是確保電子元件耐用性和長期性能的關鍵因素?！?/p>

為了進一步提高其有效性，該技術采用了多層SiO2結構。這種設計減少了對任何單層高壓保護的依賴，為隔離過程增加了一層額外的穩健性。

穆罕默德說：“此外，制造過程是在晶圓制造設施內精心控制的環境中進行的?！??！斑@與一些替代隔離器形成了鮮明對比，這些隔離器可能在控制較少的組裝地點組裝。內部制造確保了最終產品的高質量和精度?！?/p>

高壓設計挑戰

電隔離在確保高壓電力系統的安全和功能方面發揮著至關重要的作用，例如工廠自動化、電機驅動、電網基礎設施和電動汽車中的高壓電力系統。當電壓達到幾百甚至數千伏時，主要關注的是保護維護人員和終端設備用戶。電流隔離通過創建一個屏障來解決這一問題，該屏障將高壓部件與低壓人機界面部分隔開。

此外，它通過實現高電壓和低電壓電路之間的可靠和安全的通信和交互，成為次要優先事項。這包括電壓和電流傳感、電源控制、數字通信和信號處理等功能。通過采用可靠的隔離技術、材料和集成電路(IC)，設計者可以滿足高壓系統的安全和操作要求。

為了確保安全性和功能性，電流隔離至關重要。這種隔離涉及各種組件，例如隔離的半導體組件、放大器、調制器、柵極驅動器和比較器。這些部件用于將電源電路與控制電路分離，測量和隔離反饋信號，控制功率晶體管，并監測過電流、過電壓和過熱情況。數字隔離器也可用于增強系統安全性。此外，這些系統必須遵守IEC 61800-5-1等安全標準，并最大限度地減少電源和控制電路之間的噪聲干擾，以確保操作員和設備的安全。

電流隔離是一種用于電氣系統的技術，用于防止電路的兩個不同部分之間的直流電和不需要的交流電流動，同時仍允許信號和功率的傳輸。如圖1所示，當地（GND1）與地（GND2）分離時，它有效地將電流（I1）與電流（I2）隔離，因為它們之間沒有公共接地連接。這種隔離對于各種應用至關重要，包括防止公共接地電流和實現無直接傳導的信號通信。

此外，由于GND2可以被設置為相對于GND1不同的浮動電勢，因此可以將電流隔離用于電壓電平偏移。這一特征在需要雙向信號信息穿過隔離屏障的高壓系統中尤其有用。
許多模擬和數字電路都有特定的偏置電壓要求，在數字信號和電源都必須穿過隔離屏障的情況下，電流隔離變得至關重要。例如，在同一系統中，隔離的高分辨率模數轉換器可能需要3.3V電源，而隔離的柵極驅動器可能需要15V和-5V。這不僅需要信號的傳輸，還需要跨越隔離屏障的功率，確保電路的每個部分在保持電分離的同時以所需的電壓和電流水平操作。

在電氣系統中構建可靠的隔離屏障涉及各種考慮因素，包括隔離額定值、爬電距離和間隙距離、CMTI和電磁干擾（EMI）。功能隔離可確保系統正常運行，而無需防止觸電，通常通過適當的PCB導體間距來實現?；靖綦x提供與最高系統電壓相匹配的安全保護，而強化隔離是高壓系統的最高商業額定值，符合IEC 60747-17和IEC 60747-5等嚴格標準。認證用于加強隔離的高壓系統需要符合全球安全標準的合格隔離器。
爬電距離和間隙距離，即導電引線穿過隔離柵的最短路徑，是關鍵參數。封裝技術和強化隔離等級共同作用，實現更高的距離。CMTI測量隔離器處理高速瞬態的能力，這在具有高瞬態電壓的寬帶隙半導體的存在中至關重要。高性能隔離器的CMTI額定值通常超過100 V/ns。

平衡IC和系統級別的隔離權衡需要考慮封裝尺寸、集成、熱管理、符合認證標準以及在保持效率的同時最大限度地減少EMI。選擇設計用于滿足IC級別這些需求的隔離組件有助于在系統級別實現無縫強化合規性。
隔離方法

在現代高壓系統領域，尋求隔離是最重要的問題。進入IC，幕后的無名英雄，在阻斷直流和低頻交流電流的同時，促進電源、模擬信號和高速數字數據的安全傳輸。有三種核心半導體技術徹底改變了隔離解決方案：

光耦合器：想象一下光和電介質魔法的舞蹈。光電耦合器的工作原理簡單而巧妙，即從LED光源發射光，并將其傳輸到由介電絕緣材料分離的光電晶體管。然而，這些材料有其局限性，需要大量的物理分離才能達到更高的隔離水平。雖然TI不提供光學隔離產品，但它提供了使用SiO2隔離技術的光模擬器作為一種引人注目的替代方案。光耦合器可能是已知通過光子傳輸電磁能量最快的載體，但其數據速率上限為每秒幾兆比特。此外，由于電流傳輸比隨時間的變化，它們消耗更多的功率。

電容隔離技術：電容隔離器通過促進交流信號在介質屏障上的傳輸，開創了隔離的新時代。它們配備了各種調制方案，有效地阻斷了直流信號。與光耦合器不同，電容隔離器提供低傳播延遲和超過150 Mbps的數據速率，同時消耗更少的偏置電流。TI的電容式隔離器采用SiO2電介質，具有卓越的介電強度和穩定性。它們支持令人印象深刻的工作電壓和浪涌電壓功能，是低壓模擬和數字信號的理想選擇。

磁場耦合：當高頻DC/DC功率轉換進入畫面時，使用集成平面變壓器的磁隔離大放異彩。它能夠傳輸大量功率，在大多數應用中不需要二次側偏置電源。此外，磁隔離可以傳輸高頻信號，相同的變壓器繞組線圈可以處理電力和數據傳輸。TI采用專有的多芯片模塊方法，提供具有鐵氧體或空心的高性能變壓器。這些變壓器采用屏蔽技術，以減少EMI并確保更好的輻射EMI性能。

可靠性和成本

光模擬器等高壓隔離組件的可靠性至關重要，尤其是在惡劣的環境條件下。TI采用了由第三方機構參與的嚴格認證程序來測試和認證其零件。他們進行時間相關介電擊穿等測試來測量器件壽命，保證至少30年的認證，但由于硅的特性，通?？梢赃_到40年以上。

穆罕默德說：“高壓測試是在高于規格值的情況下進行的，產品鑒定包括各種應力測試，如溫度、濕度和振動?！??！癟I在我們的網站上提供資格和認證結果，確保透明度?！?/p>

在成本方面，TI致力于通過半導體使電子產品價格合理。該公司投資于研發、工藝、包裝和材料開發，以降低制造成本。它還擴大了300毫米半導體的生產能力，從長遠來看，這將有助于降低成本，促進高壓隔離元件的采用。

應用和發展

TI致力于推進信號隔離和高壓技術，擁有AEC-Q100等汽車應用行業認證。它優先解決電動汽車中隔離高壓部件的挑戰，強調對快速電壓波動的保護、浪涌電壓耐受性和對開關噪聲的免疫力。此外，TI的解決方案有效地緩解了EMI和電磁兼容性（EMC）問題，包括接地回路問題。在電動汽車充電領域，該公司保持了連接器中絕緣材料的完整性，同時在頻繁的連接-斷開循環中提供了強大的通信和可靠性。

隨著電動汽車的不斷發展，汽車行業正在接受更高的電池組電壓，最高可達800伏及以上。這種電壓增加帶來了許多優點，包括減輕車輛重量、增強扭矩、提高效率和更快的充電能力。為了確保電動汽車在這些高電壓水平下的安全性和性能，隔離半導體和信號鏈IC發揮著關鍵作用，使低壓電子設備能夠與具有電流隔離的高壓電池系統一起運行。電池管理系統和牽引逆變器等關鍵電動汽車子系統依靠這項技術來維持安全標準，同時提高電動汽車的性能（圖3）。

穆罕默德表示，TI將其專業知識擴展到廣泛的能源基礎設施項目，提供一系列產品來滿足各種標準和需求，從太陽能逆變器到電網通信。其對網絡安全和互操作性的承諾確保了與電網接口的信號被隔離，通信保持安全和不間斷。隨著TI的不斷創新，它不僅推出了新的光模擬器并擴大了其隔離設備組合，而且還投資于基于SiO2的隔離等專有技術，以提高產品壽命和性能，最終提供適合高壓技術和信號隔離不斷發展的可靠解決方案（圖5）。
在可編程邏輯控制器（PLC）和電機驅動器領域，確保不同組件和電路之間的有效隔離對于安全、性能和符合IEC 61800-5-1等標準至關重要。以下是要點摘要：

接地回路斷開的隔離：在現場側電壓通常為24V的工業環境中，PLC通常處理來自傳感器或變送器的數據。在這些低壓應用中，基本隔離通常足以斷開接地回路。

隔離電壓要求：對于大多數低壓PLC應用，100 Vrms至500 Vrms的工作電壓和2.5 kVrms的隔離電壓是足夠的。這些電壓確保了電路和部件之間的分離，從而降低了電氣干擾的風險。

爬電和間隙距離：在空間受限的應用中，最好使用爬電和間距較小的部件。這樣可以最大限度地降低在密閉空間內發生電弧或擊穿的風險。

電機驅動隔離：電機驅動通常包含電源和控制電路之間的隔離屏障。這種隔離是通過隔離的半導體元件來實現的。

隔離柵極驅動器：隔離柵極驅動器在隔離產生脈寬調制控制信號的微控制器（MCU）與IGBT等功率晶體管方面發揮著關鍵作用。這種隔離保護MCU免受高功率電氣元件的影響。

噪音干擾和安全：電隔離電機驅動器必須最大限度地減少電源和控制電路之間的噪音干擾，以確保操作人員的可靠操作和安全。

IEC 61800-5-1合規性：現代電機驅動系統需要遵守IEC 61800-5-1.等安全標準。遵守這些標準對于確保工業機械的安全可靠運行至關重要。
TI新型光模擬器的主要亮點

TI表示，與具有這些先進設備的傳統光耦相比，該體驗提高了信號完整性，并顯著提高了高達80%的功率效率。與傳統的光耦合器相比，這些光模擬器設計用于承受寬范圍的工作溫度，并提供更高的CMTI。

據Mohammed介紹，新的解決方案ISOM8710和ISOM8711優先考慮匹配現有光耦的封裝面積。它們采用五引腳和四引腳SOIC封裝，尺寸約為4.5至5毫米寬和3.5至3.8毫米高，面積約為17.5平方毫米。此外，正在努力在未來推出更廣泛、更小的一攬子計劃。例如，ISO 6510是一種雙通道隔離器，可在3×2mm2的小型DSM封裝中使用，是TI隔離產品組合中最小的封裝。該公司致力于滿足客戶對緊湊型解決方案的需求，同時確保滿足高壓的必要隔離要求。