TI推出用于高压应用中增强信号隔离的光模拟器

德州仪器公司(TI)推出了一种新的信号隔离半导体产品组合，称为光模拟器(ISOM8710和ISOM8110)。这些设备旨在增强信号完整性，降低功耗，延长高压工业和汽车应用的寿命。TI的光模拟器与行业中常用的光耦合器兼容，使其易于集成到现有设计中，同时受益于TI专有的基于二氧化硅(SiO2)的隔离技术。这项技术旨在解决与光耦合器中常用的LED相关的老化效应的挑战。

TI隔离产品线经理Azhar
Mohammed在接受《电力电子新闻》独家采访时表示，光模拟器代表着在高压信号隔离领域相对于传统光耦合器的重大进步。光模拟器的主要区别和优势在于：

电介质材料：光模拟器使用SiO2作为电介质，与光耦合器中常见的气隙相比，提供了优异的绝缘性能。

温度范围：光模拟器可以在–55°C至125°C的宽温度范围内运行，同时保持稳定的性能。

数据速率：光模拟器提供了改进的数据速率性能，使其成为高速应用的更好选择。数字信号的数据速率高达25
Mbps(ISOM8710)，模拟信号的高带宽为680 kHz(ISOM8110)。

瞬态抗扰度：与光耦合器相比，光模拟器表现出明显更好的共模瞬态抗扰性(CMTI)，使其更能抵抗高压系统中的开关噪声。ISOM8710的典型CMTI为150
kV/µs。

穆罕默德说：“这些优势使光模拟器成为高压应用中信号隔离的更可靠、更高效的选择，解决了与LED老化和传统光耦中隔离屏障退化相关的长期挑战。”。

穆罕默德表示，专有的SiO2基隔离技术是提高最终产品性能和寿命的首选，尤其是与其他隔离方法相比。SiO2具有卓越的介电强度，额定值约为500
Vrms/µm。这种特殊的介电性能使其成为半导体应用中使用的最佳绝缘材料之一，使其成为隔离目的的高度可靠的选择。

穆罕默德说：“它的一个突出特点是耐潮湿。”。“二氧化硅长时间暴露在环境湿度下不会降解，这是确保电子元件耐用性和长期性能的关键因素。”

为了进一步提高其有效性，该技术采用了多层SiO2结构。这种设计减少了对任何单层高压保护的依赖，为隔离过程增加了一层额外的稳健性。

穆罕默德说：“此外，制造过程是在晶圆制造设施内精心控制的环境中进行的。”。“这与一些替代隔离器形成了鲜明对比，这些隔离器可能在控制较少的组装地点组装。内部制造确保了最终产品的高质量和精度。”

高压设计挑战

电隔离在确保高压电力系统的安全和功能方面发挥着至关重要的作用，例如工厂自动化、电机驱动、电网基础设施和电动汽车中的高压电力系统。当电压达到几百甚至数千伏时，主要关注的是保护维护人员和终端设备用户。电流隔离通过创建一个屏障来解决这一问题，该屏障将高压部件与低压人机界面部分隔开。

此外，它通过实现高电压和低电压电路之间的可靠和安全的通信和交互，成为次要优先事项。这包括电压和电流传感、电源控制、数字通信和信号处理等功能。通过采用可靠的隔离技术、材料和集成电路(IC)，设计者可以满足高压系统的安全和操作要求。

为了确保安全性和功能性，电流隔离至关重要。这种隔离涉及各种组件，例如隔离的半导体组件、放大器、调制器、栅极驱动器和比较器。这些部件用于将电源电路与控制电路分离，测量和隔离反馈信号，控制功率晶体管，并监测过电流、过电压和过热情况。数字隔离器也可用于增强系统安全性。此外，这些系统必须遵守IEC 61800-5-1等安全标准，并最大限度地减少电源和控制电路之间的噪声干扰，以确保操作员和设备的安全。

电流隔离是一种用于电气系统的技术，用于防止电路的两个不同部分之间的直流电和不需要的交流电流动，同时仍允许信号和功率的传输。如图1所示，当地（GND1）与地（GND2）分离时，它有效地将电流（I1）与电流（I2）隔离，因为它们之间没有公共接地连接。这种隔离对于各种应用至关重要，包括防止公共接地电流和实现无直接传导的信号通信。

此外，由于GND2可以被设置为相对于GND1不同的浮动电势，因此可以将电流隔离用于电压电平偏移。这一特征在需要双向信号信息穿过隔离屏障的高压系统中尤其有用。
许多模拟和数字电路都有特定的偏置电压要求，在数字信号和电源都必须穿过隔离屏障的情况下，电流隔离变得至关重要。例如，在同一系统中，隔离的高分辨率模数转换器可能需要3.3V电源，而隔离的栅极驱动器可能需要15V和-5V。这不仅需要信号的传输，还需要跨越隔离屏障的功率，确保电路的每个部分在保持电分离的同时以所需的电压和电流水平操作。

在电气系统中构建可靠的隔离屏障涉及各种考虑因素，包括隔离额定值、爬电距离和间隙距离、CMTI和电磁干扰（EMI）。功能隔离可确保系统正常运行，而无需防止触电，通常通过适当的PCB导体间距来实现。基本隔离提供与最高系统电压相匹配的安全保护，而强化隔离是高压系统的最高商业额定值，符合IEC 60747-17和IEC 60747-5等严格标准。认证用于加强隔离的高压系统需要符合全球安全标准的合格隔离器。
爬电距离和间隙距离，即导电引线穿过隔离栅的最短路径，是关键参数。封装技术和强化隔离等级共同作用，实现更高的距离。CMTI测量隔离器处理高速瞬态的能力，这在具有高瞬态电压的宽带隙半导体的存在中至关重要。高性能隔离器的CMTI额定值通常超过100 V/ns。

平衡IC和系统级别的隔离权衡需要考虑封装尺寸、集成、热管理、符合认证标准以及在保持效率的同时最大限度地减少EMI。选择设计用于满足IC级别这些需求的隔离组件有助于在系统级别实现无缝强化合规性。
隔离方法

在现代高压系统领域，寻求隔离是最重要的问题。进入IC，幕后的无名英雄，在阻断直流和低频交流电流的同时，促进电源、模拟信号和高速数字数据的安全传输。有三种核心半导体技术彻底改变了隔离解决方案：

光耦合器：想象一下光和电介质魔法的舞蹈。光电耦合器的工作原理简单而巧妙，即从LED光源发射光，并将其传输到由介电绝缘材料分离的光电晶体管。然而，这些材料有其局限性，需要大量的物理分离才能达到更高的隔离水平。虽然TI不提供光学隔离产品，但它提供了使用SiO2隔离技术的光模拟器作为一种引人注目的替代方案。光耦合器可能是已知通过光子传输电磁能量最快的载体，但其数据速率上限为每秒几兆比特。此外，由于电流传输比随时间的变化，它们消耗更多的功率。

电容隔离技术：电容隔离器通过促进交流信号在介质屏障上的传输，开创了隔离的新时代。它们配备了各种调制方案，有效地阻断了直流信号。与光耦合器不同，电容隔离器提供低传播延迟和超过150 Mbps的数据速率，同时消耗更少的偏置电流。TI的电容式隔离器采用SiO2电介质，具有卓越的介电强度和稳定性。它们支持令人印象深刻的工作电压和浪涌电压功能，是低压模拟和数字信号的理想选择。

磁场耦合：当高频DC/DC功率转换进入画面时，使用集成平面变压器的磁隔离大放异彩。它能够传输大量功率，在大多数应用中不需要二次侧偏置电源。此外，磁隔离可以传输高频信号，相同的变压器绕组线圈可以处理电力和数据传输。TI采用专有的多芯片模块方法，提供具有铁氧体或空心的高性能变压器。这些变压器采用屏蔽技术，以减少EMI并确保更好的辐射EMI性能。

可靠性和成本

光模拟器等高压隔离组件的可靠性至关重要，尤其是在恶劣的环境条件下。TI采用了由第三方机构参与的严格认证程序来测试和认证其零件。他们进行时间相关介电击穿等测试来测量器件寿命，保证至少30年的认证，但由于硅的特性，通常可以达到40年以上。

穆罕默德说：“高压测试是在高于规格值的情况下进行的，产品鉴定包括各种应力测试，如温度、湿度和振动。”。“TI在我们的网站上提供资格和认证结果，确保透明度。”

在成本方面，TI致力于通过半导体使电子产品价格合理。该公司投资于研发、工艺、包装和材料开发，以降低制造成本。它还扩大了300毫米半导体的生产能力，从长远来看，这将有助于降低成本，促进高压隔离元件的采用。

应用和发展

TI致力于推进信号隔离和高压技术，拥有AEC-Q100等汽车应用行业认证。它优先解决电动汽车中隔离高压部件的挑战，强调对快速电压波动的保护、浪涌电压耐受性和对开关噪声的免疫力。此外，TI的解决方案有效地缓解了EMI和电磁兼容性（EMC）问题，包括接地回路问题。在电动汽车充电领域，该公司保持了连接器中绝缘材料的完整性，同时在频繁的连接-断开循环中提供了强大的通信和可靠性。

随着电动汽车的不断发展，汽车行业正在接受更高的电池组电压，最高可达800伏及以上。这种电压增加带来了许多优点，包括减轻车辆重量、增强扭矩、提高效率和更快的充电能力。为了确保电动汽车在这些高电压水平下的安全性和性能，隔离半导体和信号链IC发挥着关键作用，使低压电子设备能够与具有电流隔离的高压电池系统一起运行。电池管理系统和牵引逆变器等关键电动汽车子系统依靠这项技术来维持安全标准，同时提高电动汽车的性能（图3）。

穆罕默德表示，TI将其专业知识扩展到广泛的能源基础设施项目，提供一系列产品来满足各种标准和需求，从太阳能逆变器到电网通信。其对网络安全和互操作性的承诺确保了与电网接口的信号被隔离，通信保持安全和不间断。随着TI的不断创新，它不仅推出了新的光模拟器并扩大了其隔离设备组合，而且还投资于基于SiO2的隔离等专有技术，以提高产品寿命和性能，最终提供适合高压技术和信号隔离不断发展的可靠解决方案（图5）。
在可编程逻辑控制器（PLC）和电机驱动器领域，确保不同组件和电路之间的有效隔离对于安全、性能和符合IEC 61800-5-1等标准至关重要。以下是要点摘要：

接地回路断开的隔离：在现场侧电压通常为24V的工业环境中，PLC通常处理来自传感器或变送器的数据。在这些低压应用中，基本隔离通常足以断开接地回路。

隔离电压要求：对于大多数低压PLC应用，100 Vrms至500 Vrms的工作电压和2.5 kVrms的隔离电压是足够的。这些电压确保了电路和部件之间的分离，从而降低了电气干扰的风险。

爬电和间隙距离：在空间受限的应用中，最好使用爬电和间距较小的部件。这样可以最大限度地降低在密闭空间内发生电弧或击穿的风险。

电机驱动隔离：电机驱动通常包含电源和控制电路之间的隔离屏障。这种隔离是通过隔离的半导体元件来实现的。

隔离栅极驱动器：隔离栅极驱动器在隔离产生脉宽调制控制信号的微控制器（MCU）与IGBT等功率晶体管方面发挥着关键作用。这种隔离保护MCU免受高功率电气元件的影响。

噪音干扰和安全：电隔离电机驱动器必须最大限度地减少电源和控制电路之间的噪音干扰，以确保操作人员的可靠操作和安全。

IEC 61800-5-1合规性：现代电机驱动系统需要遵守IEC 61800-5-1.等安全标准。遵守这些标准对于确保工业机械的安全可靠运行至关重要。
TI新型光模拟器的主要亮点

TI表示，与具有这些先进设备的传统光耦相比，该体验提高了信号完整性，并显著提高了高达80%的功率效率。与传统的光耦合器相比，这些光模拟器设计用于承受宽范围的工作温度，并提供更高的CMTI。

据Mohammed介绍，新的解决方案ISOM8710和ISOM8711优先考虑匹配现有光耦的封装面积。它们采用五引脚和四引脚SOIC封装，尺寸约为4.5至5毫米宽和3.5至3.8毫米高，面积约为17.5平方毫米。此外，正在努力在未来推出更广泛、更小的一揽子计划。例如，ISO 6510是一种双通道隔离器，可在3×2mm2的小型DSM封装中使用，是TI隔离产品组合中最小的封装。该公司致力于满足客户对紧凑型解决方案的需求，同时确保满足高压的必要隔离要求。