TI首席技術(shù)官Ahmad Bahai暢談合作型社會中的隔離技術(shù)

在人與機(jī)器持續(xù)交互的世界中，適當(dāng)?shù)母綦x措施顯得尤為重要。長達(dá)數(shù)英里的線路連接電動(dòng)汽車中的開關(guān)、傳感器和高壓電機(jī)。工業(yè)控制器同工廠車間的傳感器間交換數(shù)據(jù)、指令和功率。高壓醫(yī)療設(shè)備監(jiān)測診所或康復(fù)護(hù)理機(jī)構(gòu)中的患者。USB接口將工業(yè)機(jī)器連接到微處理器。高壓繼電器根據(jù)智能控制器的指令運(yùn)行。

隨著機(jī)械工業(yè)系統(tǒng)逐漸被電機(jī)、傳感器和驅(qū)動(dòng)器所取代，諸如以上的機(jī)器對機(jī)器和人對機(jī)器的交互應(yīng)用也越來越多。笨重的機(jī)械開關(guān)被靈敏的觸摸控件所取代。許多在高壓下運(yùn)行的電機(jī)應(yīng)用也越來越多。半導(dǎo)體開關(guān)在高壓環(huán)境的應(yīng)用也日益普遍。它們都需要與智能控制器和驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通信和交互。不斷增加的工業(yè)、汽車、醫(yī)療和離線方面的應(yīng)用也都需要隔離技術(shù)提供的保護(hù)、降噪和可靠性能支持。

隔離器對于正確應(yīng)用下的可靠安全操作至關(guān)重要。例如，隔離器可以通過隔離高壓或低壓處理器的可觸及電路防止人們觸電，例如可以驅(qū)動(dòng)高功率工業(yè)電機(jī)的C2000™微控制器。

隔離解決方案

在許多工業(yè)應(yīng)用中，都需要以數(shù)百兆位甚至更高的數(shù)據(jù)傳輸速率在隔離勢壘間高效、可靠地傳輸數(shù)據(jù)，并且防止高壓浪涌。此外，在柵極驅(qū)動(dòng)器和工業(yè)傳感器應(yīng)用中的某些隔離勢壘間也需要傳輸數(shù)據(jù)和功率。日益增加的信道數(shù)量和對信道間隔離度的更高要求，也不斷提升對小型化解決方案的需求。

集成隔離技術(shù)的關(guān)鍵屬性

隔離究竟是什么?隔離勢壘是一種物理介質(zhì)，有助于在兩個(gè)系統(tǒng)間可靠地交換數(shù)據(jù)和/或功率，同時(shí)阻隔多余的電流。集成隔離技術(shù)有幾個(gè)關(guān)鍵屬性：

·隔離器在短時(shí)間內(nèi)(浪涌電壓)或正常工作(工作電壓)期間可承受的最大電壓。

·隔離器在不產(chǎn)生通信錯(cuò)誤的情況下可承受的最大接地電位差變化率。

·電源引腳之間由隔離勢壘、直接距離(間隙)和表面距離(漏電)引起的延遲。

·電磁干擾的程度。

多種方法實(shí)現(xiàn)隔離技術(shù)

隨著芯片封裝的集成器件越來越多，獨(dú)立電容器和變壓器被取代，常用的幾種方法如下：

電容式：采用多層氧化硅的集成電容器取代了獨(dú)立電容器，在通過電場傳輸數(shù)據(jù)時(shí)可提供高水平的隔離性。我們的電容隔離技術(shù)在同一模塊中并排放置的兩個(gè)芯片上使用兩個(gè)串聯(lián)電容器。這種方法使我們能夠?yàn)楦邤?shù)據(jù)速率傳輸提供具有競爭力的增強(qiáng)型隔離解決方案。電容隔離勢壘上的數(shù)據(jù)速率可超過每秒幾百兆位。通過一些創(chuàng)新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)速率可以更高，這對于工業(yè)以太網(wǎng)等應(yīng)用具有顯著的優(yōu)勢。我們公司的隔離器利用了定制化CMOS技術(shù)的一系列優(yōu)勢，可提供高性能的增強(qiáng)隔離勢壘。

電感式：一對耦合電感器可用于隔離兩個(gè)電路，同時(shí)通過磁通量交換數(shù)據(jù)。兩個(gè)電感器可以嵌入層壓印制電路板中或單片集成在管芯上。電感隔離的一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢是能夠在隔離勢壘間傳輸超過數(shù)百毫瓦的功率，無需在輔面提供額外的電源。除了在隔離勢壘間傳輸數(shù)據(jù)外，為了實(shí)現(xiàn)低輸入電流和保證最高運(yùn)行環(huán)境溫度足夠高，高效的能量輸送對于許多工業(yè)應(yīng)用來說也很重要。TI數(shù)字隔離器采用集成電源技術(shù)，通過創(chuàng)新的材料和電感器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了最高的能量傳輸效率。

電容和電感隔離通常與數(shù)據(jù)和/或功率調(diào)節(jié)相結(jié)合。數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)可最大限度地降低瞬態(tài)尖峰作為數(shù)據(jù)出現(xiàn)時(shí)的危險(xiǎn)，有助于隔離保護(hù)信號并確保設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。功率調(diào)節(jié)可優(yōu)化功率傳輸效率。

還可以通過物理分離兩個(gè)系統(tǒng)并采用光學(xué)或電磁波通信的方式實(shí)現(xiàn)隔離。

一種隔離解決方案不能滿足所有需求。在許多情況下，工業(yè)應(yīng)用需要集成式解決方案，包括隔離放大器、隔離諸如RS-485信號的高速數(shù)據(jù)鏈路，隔離柵極驅(qū)動(dòng)器等。隨著人與機(jī)器日益增多的協(xié)同合作，高壓隔離解決方案可確保系統(tǒng)更加穩(wěn)健、可靠地運(yùn)行。