新型數(shù)字隔離器提升PLC效能

工業(yè)自動化發(fā)展熱潮正不斷升溫，尤其是在可確保設備安全性和可靠性的隔離設計方面上更是涌現(xiàn)了巨量的設計需求，引來可觀的商機。

工業(yè)自動化四大技術(shù)挑戰(zhàn)

為了協(xié)助業(yè)界人士加速實現(xiàn)相關(guān)解決方案，本文除針對工業(yè)自動化目標市場的隔離應用，專注于可編程邏輯控制器(PLC)和工廠自動化的發(fā)展進行詳細的市場與技術(shù)分析外，也詳細說明了新型互補式金屬氧化物半導體(CMOS)數(shù)字隔離器相較于傳統(tǒng)光耦合隔離方案對工業(yè)自動化應用所帶來的顯著優(yōu)勢。

工業(yè)自動化的發(fā)展道路上，所包含的許多技術(shù)挑戰(zhàn)包括：

第一：設備安全無法妥協(xié)

. 安全功能至關(guān)重要。

. 產(chǎn)品在高應力下性能必須穩(wěn)定。

第二：高噪聲環(huán)境中的正常工作

. 工廠外部電/磁場的抗干擾性高。

. 高電壓瞬變噪聲的抗干擾能力強。

第三：產(chǎn)品使用壽命長

. 整個溫度范圍，不同VDD電壓，以及長期使用時，關(guān)鍵參數(shù)必須穩(wěn)定。

. 在高應力下產(chǎn)品使用壽命長。

第四：高性能

. 產(chǎn)品性能必須世界頂尖。

. 低延遲和低延遲偏差以確保高效率和吞吐量。

基于上述的技術(shù)挑戰(zhàn)，適用于工業(yè)自動化的高性能隔離產(chǎn)品也必須是高安全，高抗干擾性與長壽命。 工廠存在很多高壓設備，透過隔離方案不僅能保護電子系統(tǒng)和人員，也能抑制噪聲以確保設備的可靠度和穩(wěn)定性。 隨著工業(yè)自動化應用對相關(guān)設備的性能要求提升，內(nèi)建隔離技術(shù)也開始發(fā)生轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的隔離使用光耦合技術(shù)，由于先天的特性逐漸難以滿足工業(yè)自動化設計需求，包括可靠性較差、時序特性不佳、無余裕的共模瞬態(tài)噪聲免疫(CMTI)、能源效率低等，使業(yè)界開始將目光移至新型的CMOS電容耦合數(shù)字隔離器方案。

使用差分電容耦合技術(shù) CMOS數(shù)字隔離器展高效

CMOS數(shù)字隔離器采用開關(guān)鍵控調(diào)制技術(shù)的CMOS設計，并使用差分電容耦合，可以達成高可靠度和穩(wěn)定性，不會隨溫度、工作電壓和產(chǎn)品壽命而改變，另外還具備卓越的時序特性，包括低傳輸延時、低傳輸延遲偏差等。 更重要的是，CMOS數(shù)字隔離器具有高共模瞬態(tài)噪聲免疫(CMTI)，而且相對于光耦，只需要較小的功率，因此可以降低總體系統(tǒng)功耗。 圖1及圖2為傳統(tǒng)光耦和CMOS數(shù)字隔離方案的比較。

圖1 傳統(tǒng)光耦隔離方案特性

圖2 新型CMOS數(shù)字隔離方案特性

新型數(shù)字隔離器提升PLC效能

其中，針對工業(yè)機器控制和制程的自動化，性能優(yōu)異的可編程邏輯控制器(PLC)是一大關(guān)鍵。 以芯科實驗室(Silicon Labs)為例，為因應此一情況，該公司近期推出首款高速、多信道數(shù)字隔離器，便是鎖定PLC的應用需求。 新型Si838x數(shù)字隔離器(圖3)可為工廠自動化PLC提供優(yōu)于光電耦合器的性能和使用壽命，其特性包含高速信道(高達2Mbit/s)、高信道整合度(每個設備最高可達八個信道)、雙極輸入彈性、高抗干擾性和2.5KVrms安全隔離等級。 此外，該產(chǎn)品適用于分布式過程控制系統(tǒng)中的可程序自動化控制器(PAC)。

圖3 Si838x數(shù)字隔離器有效解決PLC設計挑戰(zhàn)。

PLC廣泛部署在惡劣的工廠車間環(huán)境中，因此必須兼具可靠和精小特性。 許多PLC設計規(guī)?？蛇_一百二十八個信道，并且有多個高速輸入。 盡管光電耦合器已經(jīng)在過去幾十年中提供了默認隔離解決方案，但是它們也使得PLC設計人員面臨極大挑戰(zhàn)。 由于缺乏高速能力，光電耦合器無法滿足高性能PLC應用，例如伺服電機控制。

光電耦合器也缺乏高噪聲抑制能力，并且其性能會隨時間和溫度變化而下降，因此在高溫工業(yè)應用中會帶來可靠性風險。 然而，上述提到的Si838x系列可克服這些挑戰(zhàn)，其于精小QSOP封裝中提供了彈性、高速、多信道的雙極性隔離解決方案，相較于基于光電耦合器的解決方案，可提供更長的使用壽命和更高的可靠性。

隔離閘極驅(qū)動器可確實保護電機驅(qū)動應用/逆變器

另一方面，工業(yè)自動化對電機控制的要求也持續(xù)提高，這是由于AC交流感應電機驅(qū)動部分有多級是透過絕緣閘雙極晶體管(IGBT)給電機提供電能，必須透過高性能的隔離閘極驅(qū)動器為系統(tǒng)提供保護功能、并提供電流/電壓回饋用于環(huán)路控制。 業(yè)界人士選用驅(qū)動器的關(guān)鍵指針包括兩點，整合IGBT保護特性、低延遲、高噪聲免疫和支持寬廣工作溫度范圍;而對于電流感應的關(guān)鍵需求則是具備高噪聲免疫、低延遲、工作溫度范圍內(nèi)的高精準度。

基于上述市場需求，再以Silicon Labs為例，該公司也發(fā)表了新一代Si828x ISOdriver隔離閘極驅(qū)動器系列(圖4)，為逆變器和電機驅(qū)動應用提供保護。 該產(chǎn)品旨在保護電源逆變器和電機驅(qū)動應用中敏感的IGBT，提供了工業(yè)級的隔離等級(5kVrms)和較佳的特性整合：包括可選的DC-DC轉(zhuǎn)換器、較快的去飽和檢測、良好的計時特性，以及較佳的噪聲和瞬變抑制能力。

圖4 高整合度的Si828x降低了電機控制設計的復雜度。

另一方面，由于其中的許多系統(tǒng)工作時間預期要超過25年，并且運行環(huán)境惡劣，而隔離器可能成為這些系統(tǒng)中首要的故障點和壽命限制組件。 傳統(tǒng)的基于光耦的隔離器受到工作溫度范圍、噪聲干擾和產(chǎn)品壽命的極大限制，而該系列隔離閘極驅(qū)動器采用基于Silicon Labs旗下的CMOS隔離技術(shù)，能夠在整個工業(yè)溫度范圍內(nèi)工作，支持長達100年的產(chǎn)品使用壽命，同時能滿足嚴格的UL、VDE、CQC和CSA標準，進而為工業(yè)電機驅(qū)動、太陽能逆變器、高壓電源轉(zhuǎn)換器、不間斷電源，以及暖氣 、通風和空氣調(diào)節(jié)(HVAC)壓縮機控制提供理想的解決方案。

為因應工業(yè)自動化，除了上述提到的數(shù)字隔離解決方案之外，用戶還可運用其他隔離產(chǎn)品，如包括針對電源隔離的數(shù)字隔離器、可提升開關(guān)電源安全性的驅(qū)動器，以及能夠準確測量高電壓系統(tǒng)電流的隔離放大器等等;另外，完善的評估套件和開發(fā)工具，也能為工業(yè)自動化設備開發(fā)人員提供了完整的隔離技術(shù)支持。