德州儀器公司(TI)推出了一種新的信號(hào)隔離半導(dǎo)體產(chǎn)品組合，稱為光模擬器(ISOM8710和ISOM8110)。這些設(shè)備旨在增強(qiáng)信號(hào)完整性，降低功耗，延長高壓工業(yè)和汽車應(yīng)用的壽命。TI的光模擬器與行業(yè)中常用的光耦合器兼容，使其易于集成到現(xiàn)有設(shè)計(jì)中，同時(shí)受益于TI專有的基于二氧化硅(SiO2)的隔離技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)旨在解決與光耦合器中常用的LED相關(guān)的老化效應(yīng)的挑戰(zhàn)。

TI隔離產(chǎn)品線經(jīng)理Azhar
Mohammed在接受《電力電子新聞》獨(dú)家采訪時(shí)表示，光模擬器代表著在高壓信號(hào)隔離領(lǐng)域相對(duì)于傳統(tǒng)光耦合器的重大進(jìn)步。光模擬器的主要區(qū)別和優(yōu)勢在于：

電介質(zhì)材料：光模擬器使用SiO2作為電介質(zhì)，與光耦合器中常見的氣隙相比，提供了優(yōu)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(nèi)運(yùn)行，同時(shí)保持穩(wěn)定的性能。

數(shù)據(jù)速率：光模擬器提供了改進(jìn)的數(shù)據(jù)速率性能，使其成為高速應(yīng)用的更好選擇。數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)速率高達(dá)25
Mbps(ISOM8710)，模擬信號(hào)的高帶寬為680 kHz(ISOM8110)。

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

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

穆罕默德表示，專有的SiO2基隔離技術(shù)是提高最終產(chǎn)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(qiáng)度，額定值約為500
Vrms/μm。這種特殊的介電性能使其成為半導(dǎo)體應(yīng)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(gè)突出特點(diǎn)是耐潮濕。”?！岸趸栝L時(shí)間暴露在環(huán)境濕度下不會(huì)降解，這是確保電子元件耐用性和長期性能的關(guān)鍵因素。”

為了進(jìn)一步提高其有效性，該技術(shù)采用了多層SiO2結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)減少了對(duì)任何單層高壓保護(hù)的依賴，為隔離過程增加了一層額外的穩(wěn)健性。

穆罕默德說：“此外，制造過程是在晶圓制造設(shè)施內(nèi)精心控制的環(huán)境中進(jìn)行的?！薄！斑@與一些替代隔離器形成了鮮明對(duì)比，這些隔離器可能在控制較少的組裝地點(diǎn)組裝。內(nèi)部制造確保了最終產(chǎn)品的高質(zhì)量和精度。”

高壓設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

電隔離在確保高壓電力系統(tǒng)的安全和功能方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，例如工廠自動(dòng)化、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和電動(dòng)汽車中的高壓電力系統(tǒng)。當(dāng)電壓達(dá)到幾百甚至數(shù)千伏時(shí)，主要關(guān)注的是保護(hù)維護(hù)人員和終端設(shè)備用戶。電流隔離通過創(chuàng)建一個(gè)屏障來解決這一問題，該屏障將高壓部件與低壓人機(jī)界面部分隔開。

此外，它通過實(shí)現(xiàn)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(yōu)先事項(xiàng)。這包括電壓和電流傳感、電源控制、數(shù)字通信和信號(hào)處理等功能。通過采用可靠的隔離技術(shù)、材料和集成電路(IC)，設(shè)計(jì)者可以滿足高壓系統(tǒng)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(guān)重要。這種隔離涉及各種組件，例如隔離的半導(dǎo)體組件、放大器、調(diào)制器、柵極驅(qū)動(dòng)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(hào)，控制功率晶體管，并監(jiān)測過電流、過電壓和過熱情況。數(shù)字隔離器也可用于增強(qiáng)系統(tǒng)安全性。此外，這些系統(tǒng)必須遵守IEC 61800-5-1等安全標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)備的安全。

電流隔離是一種用于電氣系統(tǒng)的技術(shù)，用于防止電路的兩個(gè)不同部分之間的直流電和不需要的交流電流動(dòng)，同時(shí)仍允許信號(hào)和功率的傳輸。如圖1所示，當(dāng)?shù)兀℅ND1）與地（GND2）分離時(shí)，它有效地將電流（I1）與電流（I2）隔離，因?yàn)樗鼈冎g沒有公共接地連接。這種隔離對(duì)于各種應(yīng)用至關(guān)重要，包括防止公共接地電流和實(shí)現(xiàn)無直接傳導(dǎo)的信號(hào)通信。

此外，由于GND2可以被設(shè)置為相對(duì)于GND1不同的浮動(dòng)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(hào)信息穿過隔離屏障的高壓系統(tǒng)中尤其有用。
許多模擬和數(shù)字電路都有特定的偏置電壓要求，在數(shù)字信號(hào)和電源都必須穿過隔離屏障的情況下，電流隔離變得至關(guān)重要。例如，在同一系統(tǒng)中，隔離的高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器可能需要3.3V電源，而隔離的柵極驅(qū)動(dòng)器可能需要15V和-5V。這不僅需要信號(hào)的傳輸，還需要跨越隔離屏障的功率，確保電路的每個(gè)部分在保持電分離的同時(shí)以所需的電壓和電流水平操作。

在電氣系統(tǒng)中構(gòu)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(tǒng)正常運(yùn)行，而無需防止觸電，通常通過適當(dāng)?shù)?a target="_blank">PCB導(dǎo)體間距來實(shí)現(xiàn)?；靖綦x提供與最高系統(tǒng)電壓相匹配的安全保護(hù)，而強(qiáng)化隔離是高壓系統(tǒng)的最高商業(yè)額定值，符合IEC 60747-17和IEC 60747-5等嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。認(rèn)證用于加強(qiáng)隔離的高壓系統(tǒng)需要符合全球安全標(biāo)準(zhǔn)的合格隔離器。
爬電距離和間隙距離，即導(dǎo)電引線穿過隔離柵的最短路徑，是關(guān)鍵參數(shù)。封裝技術(shù)和強(qiáng)化隔離等級(jí)共同作用，實(shí)現(xiàn)更高的距離。CMTI測量隔離器處理高速瞬態(tài)的能力，這在具有高瞬態(tài)電壓的寬帶隙半導(dǎo)體的存在中至關(guān)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(tǒng)級(jí)別的隔離權(quán)衡需要考慮封裝尺寸、集成、熱管理、符合認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)以及在保持效率的同時(shí)最大限度地減少EMI。選擇設(shè)計(jì)用于滿足IC級(jí)別這些需求的隔離組件有助于在系統(tǒng)級(jí)別實(shí)現(xiàn)無縫強(qiáng)化合規(guī)性。
隔離方法

在現(xiàn)代高壓系統(tǒng)領(lǐng)域，尋求隔離是最重要的問題。進(jìn)入IC，幕后的無名英雄，在阻斷直流和低頻交流電流的同時(shí)，促進(jìn)電源、模擬信號(hào)和高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的安全傳輸。有三種核心半導(dǎo)體技術(shù)徹底改變了隔離解決方案：

光耦合器：想象一下光和電介質(zhì)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(fā)射光，并將其傳輸?shù)接山殡娊^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(dá)到更高的隔離水平。雖然TI不提供光學(xué)隔離產(chǎn)品，但它提供了使用SiO2隔離技術(shù)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(shù)據(jù)速率上限為每秒幾兆比特。此外，由于電流傳輸比隨時(shí)間的變化，它們消耗更多的功率。

電容隔離技術(shù)：電容隔離器通過促進(jìn)交流信號(hào)在介質(zhì)屏障上的傳輸，開創(chuàng)了隔離的新時(shí)代。它們配備了各種調(diào)制方案，有效地阻斷了直流信號(hào)。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(shù)據(jù)速率，同時(shí)消耗更少的偏置電流。TI的電容式隔離器采用SiO2電介質(zhì)，具有卓越的介電強(qiáng)度和穩(wěn)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(shù)字信號(hào)的理想選擇。

磁場耦合：當(dāng)高頻DC/DC功率轉(zhuǎn)換進(jìn)入畫面時(shí)，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(shù)應(yīng)用中不需要二次側(cè)偏置電源。此外，磁隔離可以傳輸高頻信號(hào)，相同的變壓器繞組線圈可以處理電力和數(shù)據(jù)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(shù)，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(guān)重要，尤其是在惡劣的環(huán)境條件下。TI采用了由第三方機(jī)構(gòu)參與的嚴(yán)格認(rèn)證程序來測試和認(rèn)證其零件。他們進(jìn)行時(shí)間相關(guān)介電擊穿等測試來測量器件壽命，保證至少30年的認(rèn)證，但由于硅的特性，通?？梢赃_(dá)到40年以上。

穆罕默德說：“高壓測試是在高于規(guī)格值的情況下進(jìn)行的，產(chǎn)品鑒定包括各種應(yīng)力測試，如溫度、濕度和振動(dòng)?！薄！癟I在我們的網(wǎng)站上提供資格和認(rèn)證結(jié)果，確保透明度。”

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

應(yīng)用和發(fā)展

TI致力于推進(jìn)信號(hào)隔離和高壓技術(shù)，擁有AEC-Q100等汽車應(yīng)用行業(yè)認(rèn)證。它優(yōu)先解決電動(dòng)汽車中隔離高壓部件的挑戰(zhàn)，強(qiáng)調(diào)對(duì)快速電壓波動(dòng)的保護(hù)、浪涌電壓耐受性和對(duì)開關(guān)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(dòng)汽車充電領(lǐng)域，該公司保持了連接器中絕緣材料的完整性，同時(shí)在頻繁的連接-斷開循環(huán)中提供了強(qiáng)大的通信和可靠性。

隨著電動(dòng)汽車的不斷發(fā)展，汽車行業(yè)正在接受更高的電池組電壓，最高可達(dá)800伏及以上。這種電壓增加帶來了許多優(yōu)點(diǎn)，包括減輕車輛重量、增強(qiáng)扭矩、提高效率和更快的充電能力。為了確保電動(dòng)汽車在這些高電壓水平下的安全性和性能，隔離半導(dǎo)體和信號(hào)鏈IC發(fā)揮著關(guān)鍵作用，使低壓電子設(shè)備能夠與具有電流隔離的高壓電池系統(tǒng)一起運(yùn)行。電池管理系統(tǒng)和牽引逆變器等關(guān)鍵電動(dòng)汽車子系統(tǒng)依靠這項(xiàng)技術(shù)來維持安全標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)提高電動(dòng)汽車的性能（圖3）。

穆罕默德表示，TI將其專業(yè)知識(shí)擴(kuò)展到廣泛的能源基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，提供一系列產(chǎn)品來滿足各種標(biāo)準(zhǔn)和需求，從太陽能逆變器到電網(wǎng)通信。其對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全和互操作性的承諾確保了與電網(wǎng)接口的信號(hào)被隔離，通信保持安全和不間斷。隨著TI的不斷創(chuàng)新，它不僅推出了新的光模擬器并擴(kuò)大了其隔離設(shè)備組合，而且還投資于基于SiO2的隔離等專有技術(shù)，以提高產(chǎn)品壽命和性能，最終提供適合高壓技術(shù)和信號(hào)隔離不斷發(fā)展的可靠解決方案（圖5）。
在可編程邏輯控制器（PLC）和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域，確保不同組件和電路之間的有效隔離對(duì)于安全、性能和符合IEC 61800-5-1等標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。以下是要點(diǎn)摘要：

接地回路斷開的隔離：在現(xiàn)場側(cè)電壓通常為24V的工業(yè)環(huán)境中，PLC通常處理來自傳感器或變送器的數(shù)據(jù)。在這些低壓應(yīng)用中，基本隔離通常足以斷開接地回路。

隔離電壓要求：對(duì)于大多數(shù)低壓PLC應(yīng)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(fēng)險(xiǎn)。

爬電和間隙距離：在空間受限的應(yīng)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(nèi)發(fā)生電弧或擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)隔離：電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dǎo)體元件來實(shí)現(xiàn)的。

隔離柵極驅(qū)動(dòng)器：隔離柵極驅(qū)動(dòng)器在隔離產(chǎn)生脈寬調(diào)制控制信號(hào)的微控制器（MCU）與IGBT等功率晶體管方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這種隔離保護(hù)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(guī)性：現(xiàn)代電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要遵守IEC 61800-5-1.等安全標(biāo)準(zhǔn)。遵守這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于確保工業(yè)機(jī)械的安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。
TI新型光模擬器的主要亮點(diǎn)

TI表示，與具有這些先進(jìn)設(shè)備的傳統(tǒng)光耦相比，該體驗(yàn)提高了信號(hào)完整性，并顯著提高了高達(dá)80%的功率效率。與傳統(tǒng)的光耦合器相比，這些光模擬器設(shè)計(jì)用于承受寬范圍的工作溫度，并提供更高的CMTI。

據(jù)Mohammed介紹，新的解決方案ISOM8710和ISOM8711優(yōu)先考慮匹配現(xiàn)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(jì)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(chǎn)品組合中最小的封裝。該公司致力于滿足客戶對(duì)緊湊型解決方案的需求，同時(shí)確保滿足高壓的必要隔離要求。