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德州仪器创新电容隔离技术 强化工业与汽车系统可靠性

2018-11-12 13:05 来源:电源网原创 编辑:邢

随着电机、传感器和驱动器逐渐取代机械工业系统,人类对机器与机器对机器的交互应用越来越多,适当的隔离措施显得至关重要。在现代电子系统里经常存在高压、高温或高噪声的环境,怎样保证信号稳定且有效地传输,保护操作人员和低压电路免受高压影响,提高抗噪能力,是工程师亟待解决的问题。

作为嵌入式处理器和模拟半导体的行业领导者,德州仪器(TI)一直致力于通过隔离解决方案实现高效而可靠的系统运行。在2018年11月2日,德州仪器举行的“全新隔离解决方案强化系统运行媒体说明会”上,德州仪器隔离器产品线产品市场工程师Neel Seshan,半导体事业部中国区汽车电子技术应用经理师英着重介绍TI两款新隔离器产品——增强型隔离放大器ISO224与隔离式CAN收发器ISO1042,并分享TI是如何将创新技术和产品优势投入市场应用,从而加速工业自动化的。

德州仪器创新电容隔离技术 强化工业与汽车系统可靠性

德州仪器隔离器产品线产品市场工程师Neel Seshan与半导体事业部中国区汽车电子技术应用经理师英

TI强大的电容隔离技术

现在市场上较常见的隔离技术有光电隔离和变压器隔离。而TI采用的技术是电容式隔离。TI的增强型隔离器采用逻辑输入和输出缓冲器,由双电容SiO 2隔离屏障隔开,内部有两个内核DAI,每一个DAI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DAI,通过第二个DAI解调,再把它通过电子信号传输。下图是电气原理示意图,信号传输通路通过了两个隔离电容对应信号,这是TI新一代隔离性能增强的隔离器件普遍所使用的技术。

德州仪器创新电容隔离技术 强化工业与汽车系统可靠性

在谈及为何选择这种技术时,Neel Seshan解释说:“因为电容式隔离的核心材料是二氧化硅,二氧化硅在工业中具有已知最高的介电强度(500Vrms/μm),它对于温度和湿度的变化影响非常小,在恶劣环境下也可保证系统稳定可靠地运行,这是TI使用电容隔离技术的主要原因。并且采用多层氧化硅的集成电容器取代了独立电容器,在通过电场传输数据时可提供更高水平的隔离性。”

总结一下,TI的电容隔离技术具有三个非常明显的优势。其一,可靠的电机隔离使电子系统拥有更长的使用寿命;其二,在噪声环境下依然可保证高可靠性运作;其三,通过集成和广泛的产品组合简化设计并减少电路板空间的占用。TI的电容隔离产品系列结合了最高工作电压和可靠性,可延长系统寿命并提供保护。为不断增加的工业、汽车、电网、电机驱动、楼宇自动化等方面的应用提供保护、降噪以及可靠性能的支持。

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ISO224增强型隔离放大器

增强型隔离放大器ISO224具有高精度、高可靠性、更小尺寸等出色优势,可广泛应用于工厂自动化与控制、电网自动化、保护继电器、铁路运输、电机驱动器及功率分析仪等工业领域。ISO224是一款精密的隔离放大器,采用宽体8引脚SOIC(DWV)封装,此放大器的输出与输入电路由抗电磁干扰性能极强的隔离栅隔开。工作电压提高50%,在高达1.5kVrms工作电压下,可实现135年的使用寿命。此外,ISO224具有80kV/μs的高共模瞬态抗扰度(CMTI),可在嘈杂环境下实现安全运行,确保数据完整性。

ISO224集成的高侧电源电压检测功能可简化系统级的诊断功能,在安全性要求非常高的工业领域,尤其汽车领域都将有广泛的应用。Neel Seshan表示,ISO224是目前在±12V以内的电压传感或电压测量应用里,能够做到精度最高的隔离运算放大器。该器件由高侧单电源供电运行,此独有的特性可简化隔离式电源的设计,降低成本。ISO224还专门针对精确检测±10V信号进行优化,该信号在工业应用中十分普遍。同时提供高级(ISO224B)与低级(ISO224A)两个版本。

德州仪器创新电容隔离技术 强化工业与汽车系统可靠性

ISO1042隔离式CAN FD收发器

随着汽车总线通讯的数据量越来越大的问题日益凸显,CAN FD正在成为下一代汽车通信领域的标准。TI推出的第二款超小型增强隔离式CAN FD收发器ISO1042,能提供±70V直流总线故障保护功能和±30V共模电压范围。和ISO224一样,ISO1042的高工作电压可以提升系统可靠性和器件寿命。兼容CAN FD协议,相比于传统的CAN总线能提供超高速率的数据通信,实现5Mbps通讯传输速率,同时也有215ns(最大值)的短环路延迟,使得CAN FD总线通讯速率有很大提高。从EMC和EMI角度来讲,ISO1042可以提供最小的电磁干扰辐射和最高的抗电磁干扰性能。

Neel Seshan表示,ISO1042采用二氧化硅绝缘隔栅。在测试可靠寿命预期时加5000Vrms高压下,能够预判的可靠工作寿命可以达到270年,这是比以往的产品提升80%的参数。与隔离式电源一起使用,可防止数据总线或者其他电路上的噪声电流进入本地接地并干扰或损坏敏感电路。隔离式CAN FD收发器ISO1042将会是汽车电子与工业场景里应用最多的隔离器件。

德州仪器创新电容隔离技术 强化工业与汽车系统可靠性

上图是ISO1042的EMI和EMC性能在IEC TS62228标准下的实测波形(TS62228是市场上最严苛的测试标准之一)。ISO1042在TS62228测试条件下,所有的频段、所有的频点完全可以满足要求,而且有相当大的裕度。并且在EMC抗电磁干扰性能上,ISO1042同样有对于共模瞬态干扰的抑制能力或抗共模瞬态干扰能力,数值可以达到85kV/μs的共模抑制,每个器件均通过±8kV的静电测试要求。ISO1042还具有自身的保护功能,导致不会被瞬间短路电压破坏或损坏。在实测性能上,ISO1042可以抗70V的高压保护。强抗干扰性和低辐射使它在工业和汽车领域大有可为,不仅支持交流和伺服驱动器,还涵盖工业电源、混合动力汽车、电动汽车、楼宇自动化、光伏逆变器、PLC和DCS通信模块等应用。

Neel Seshan表示,在过去很多年里,汽车电子是没有隔离的。随着新能源汽车的出现带来了汽车电池管理系统(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,这些汽车部件都对隔离器件提出了新的需求。为适应更多的市场应用场景以及更多的隔离技术要求,TI将会在更小尺寸,更高集成,更高精度,更高隔离电压等细节性能上不断发展创新,随着市场需求不断向前发展。

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