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德州仪器:电子世界渴求更多隔离技术

时间:2018-11-23 12:05来源:COMPOTECHChina 作者:徐俊毅 点击:
 
隔离技术是什么:隔离势垒是一种物理介质,有助于在两个电子系统间可靠的交换数据/或功率,同时阻隔多余的电流,并对人或者系统进行有效保护。
 
在直流系统中,功率等于电流与电压的乘积,也可以换算为电流的平方与电阻的乘积,在大功率场景下,如果不提高电压,那么就意味着需要更大的电流传递功率,线路负载发热,导致线路承受能力面临巨大挑战。因此提高电压是成本较低的实现方法。比如我国正在实施的“三横三纵”的国家电网建设,就是采用特高电压传输功率,实现长距离大范围功率传递。但这些巨大的能量被逐级分配到各个电子系统,或者说低压侧设备前,就需要加入隔离措施,以保证安全且不会干扰数据传递。
 
“长达数英里的线路连接电动汽车中的开关、传感器和高压电机;工业控制器同工厂车间的传感器间交换数据、指令和功率;高压医疗设备监测诊所或康复护理机构中的患者;USB接口将工业机器连接到微处理器;高压继电器根据智能控制器的指令运行。

机械工业系统逐渐被电机、传感器和驱动器所取代,诸如以上的机器对机器和人对机器的交互应用也越来越多。笨重的机械开关被灵敏的触摸控件所取代。许多在高压下运行的电机应用也越来越多。半导体开关在高压环境的应用也日益普遍。它们都需要与智能控制器和驱动程序进行通信和交互。不断增加的工业、汽车、医疗和离线方面的应用也都需要隔离技术提供的保护、降噪和可靠性能支持。”----------引自TI首席技术官Ahmad Bahai《畅谈合作型社会中的隔离技术》.
 


“即使是现在这个阶段,市场仍然对隔离技术提出了很多新的要求。比如过去很多年里,汽车电子是没有隔离的。随着新能源汽车的快速发展,这个产业出现了很多隔离需求,在任何不同电压域之间工作的子系统之间都需要隔离。新能源汽车的出现带来了汽车电池管理系统(即BMS),电动汽车引擎驱动,OBC车载电池充电器,以及DC/DC车载能源电池包,高压变低压的DC/DC变换器,这些汽车部件里都对隔离器件提出了新的需求。” 德州仪器隔离器产品线产品市场工程师Neel Seshan表示。
 
当今在的电子系统设计也遇到诸多挑战都需要隔离技术来解决:
首先是鲁棒性:在电子系统设计里常会遇到,需要测量高压端的信号,怎样能够把高压端信号安全地传输到低压端?

然后是可靠性:在有害或噪声非常大的环境下的可靠性。在现代电子系统里经常存在高温或高噪声电子环境,在这种条件下,怎样才能把信息、信号有效传输

最后是器件尺寸:电子系统尺寸越来越小,工程师往往需要在更小的单位体积里实现更多的功能,包括隔离。
 
隔离器是什么:在信号或功率传输时,往往需要把直流信号或有用的通信数字信号从一个子系统传输到另一个子系统,并隔离开不想要的交流分量或噪声,这是隔离器件主要的功能和定义。
 
“真实世界是模拟信号的世界,设计电子系统往往需要把模拟的信号采样和转换成数字信号,在数字领域里进行处理和变换,再反馈到真实世界里。在这个场景里,测量温度、压力和湿度时,这些信号通过传感器,再经过ADC的转换到数字领域里。转换需要把噪声、地线环路和不同电压隔离开;相应的,在数字信号领域里反馈的指令或信号,一般会通过RS-485、CAN、I2C等通信接口反映到采压系统里,为了保证高可靠性,也是为了解决不同电平水平上正常的通信,需要用到隔离措施。”
 
TI的隔离技术
市场上比较常见的隔离技术有光电隔离、变压器隔离。TI最近的隔离技术则是电容隔离,核心材料是二氧化硅(玻璃也是二氧化硅)。

相比其他隔离材料,二氧化硅具有最高介电强度500Vrms/μm;光电隔离器件所使用材料的介电强度仅为20Vrms/μm;变压器所使用的材料介电强度也只达到300Vrms/μm。


光电隔离和变压器隔离使用有机材料,对于外界环境因素变化有敏感性,最常见的是湿度和温度。当湿度和温度变化的时候,它的介电强度会随之发生变化,所以,在外界环境变化的时候有机材料的性能不如二氧化硅技术稳定。是TI选择这一材料的主要原因。

“德州仪器隔离器件内部结构有两个内核DIE,每一个DIE都有个电容信号,信号从左边示意的线路里进去的时候,首先通过调制经过第一个隔离器,再通过绑定先进入第二个隔离器,耦合到第二个DIE,通过第二个DIE解调,再把它通过电子信号传输。”
 
近期德州仪器发布了采用电容隔离技术的两个系列的产品,ISO224和ISO1042。
 
 
ISO224隔离放大器

ISO224隔离放大器具有业内最高的精度和工作电压,同时使用寿命极长(TDDB测试显示预期寿命为135年!)。由于具有更佳的非线性度、更低的漂移和增益误差以及更高的温度稳定性等良好性能,ISO224可协助工程师克服性能方面的障碍,成功设计出高精度系统。专为工厂自动化和控制、电网基础设施、铁路运输及电机驱动应用的隔离电压测量而设计。
 
ISO1042和ISO1042-Q1是新型隔离式控制器局域网(CAN)灵活数据速率(FD)收发器,将业内更高总线故障保护、更高共模瞬变抗扰度(CMTI)和更低电磁辐射于一身,尺寸缩小35%。具有比同类产品更高的工作电压、比传统CAN标准更快的通信速度,可帮助工程师更好地保护低压电路,并提高工业应用(如电网基础设施、电机驱动和楼宇自动化)及混合动力汽车和纯电动汽车(HEV/EV)的通信吞吐量。
 
 
ISO1042和ISO1042-Q1隔离式控制器局域网(CAN)灵活数据速率(FD)收发器
 
市场应用场景需要更多的隔离产品,隔离技术本身也在不断改进:更小尺寸,更高集成度,更高精度,更高隔离电压等细节性能参数也在不断提升。隔离技术将随着市场需求的扩大实现加速发展和普及。
 
附录:
ISO224增强型隔离放大器的关键特性和优势:
• 高可靠性:拥有极长的使用寿命,工作电压高出隔离行业标准要求50%,共模瞬态抗扰度(CMTI)高达80 kV/µs,并能在-55°C到+125℃的扩展工业温度范围内可靠运行。
• 具有业内最高的性能:ISO224精密隔离放大器能够对±10-V电压信号实现更准确的检测,目前广泛用于各类工业应用。与同类竞争器件相比,它的非线性度高出25%,增益误差降低8倍,漂移偏移更低,系统反应速度也更快。
• 尺寸较小:ISO224封装尺寸比旧款ISO12x放大器小60%,有助于工程师缩小电路板空间。利用5-V电压输入,其输出支持直接连接模数转换器。此外,ISO224的高侧单电源可实现集成电压检测,进而简化了设计和系统级诊断。

TI ISO1042 和ISO1042-Q1隔离式CAN FD收发器的主要特性和优势
• 更高工作电压:ISO1042和ISO1042-Q1的工作电压为1,000Vrms(提高了18%),耐受电压为5,000Vrms,具有更长的使用寿命,从而有效提高了系统可靠性。
• 增强设备保护:ISO1042和ISO1042-Q1具有±70V的高总线故障保护,对DC短路裕度提高了20%,可在发生高压短路时保护12V、24V和48V电池或电源系统。
• 业内领先的抗扰度和辐射
o 更强的抗电磁干扰性能:ISO1042和ISO1042-Q1的共模瞬变抗扰度(CMTI)为85kV/us(最低值),具有+/-8kV的高ESD保护性能,采用国际电工委员会(IEC)测试标准,可帮助工程师设计出能够在嘈杂环境下保持正常运行的电子设备。
o 更低EMC辐射:ISO1042和ISO1042-Q1 具有业内更低的电磁兼容性(EMC)辐射,从而有效保证系统信号的完整性。ISO1042-Q1 符合汽车行业标准(IEC TS62228),可实现稳健的EMC。
• 在基于CAN的系统中更快地驱动信号:这两款收发器支持高达5Mbps的CAN灵活数据速率,循环延时短,仅为215ns(最大值),与传统CAN相比,可实现更快的有效负载。
 

 

(责任编辑:jane)
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