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乐橙数字电容隔离器的内部结构及工作原理解析
时间:2021-06-19 22:13

  尽管数字隔离器已经代替了模拟隔离器,从而简化了隔离接口的设计,但广大设计人员现在面临的挑战是日益增长的高系统性能需求。这里所说的高性能不仅仅指高数据速率和/或低功耗,而且还指高可靠性。一方面,在恶劣的工业环境中通过稳健的数据传输来满足这一需求。另一方面,特别是对隔离器而言,通过长使用寿命来解决这个问题。

  图 1 显示了一款数字电容隔离器 (DCI) 的内部结构图。该隔离器输入分为两个差分信号路径:一条为高数据速率通道(称作 AC-通道),另一条为低数据速率通道(称作 DC-通道)。AC-通道传输介于 100 kbps 和 100 Mbps 之间的信号,而DC-通道则涵盖了从 100 kbps 到 DC 的范围。

  高速信号由 AC 通道来处理,信号在通道中首先从单端模式转换为差分模式,然后被隔离层的电容-电阻网络差分为许多瞬态。后面的比较器再将这些瞬态转换为差分脉冲,从而设置和重置一个“或非”门触发器。相当于原始输入信号的触发器输出馈至判定逻辑 (DCL) 和输出多路复用器。DCL 包括一个看门狗定时器,该定时器用于测量信号转换之间的持续时间。如果两个连续转换之间的持续时间超出定时窗口(如低频信号的情况下),则 DCL 则指示输出多路复用器从 AC-通道切换到 DC-通道。

  由于低频信号要求大容量电容器,而这种电容器使片上集成变得很困难,因此DC-通道的输入要有脉宽调制器 (PWM)。该调制器利用一个内部振荡器 (OSC) 的高频载波对低频输入信号进行调制。在 AC-通道中对调制后信号的处理过程与高频信号相同。然而,在向输出多路复用器提交该信号以前,需通过一个最终低通滤波器 (LPF) 滤除高频 PWM 载波,以恢复原始、低频输入信号。

  隔离器电流消耗高度依赖于内部结构。相比双通道隔离器,电感型隔离器似乎具有最低的 DC 电源电流(请参见图 3)。这是因为该器件只包含 2 条信号通道。但是,电容隔离器包含 4 条通道:2 条 AC 通道和 2 条 DC 通道。因此,其 DC 的电流消耗更高,而且其可靠性也更高,因为在输入信号丢失的情况下其可确保正确的输出极性。

  相比四通道隔离器,图示结果有所改善。通道数为原来的两倍,因此电感隔离器的电流消耗也增加了一倍,然而相比双通道隔离器,乐橙四通道电容隔离器的通道数仅增加了一条。出现这种结果的原因是,仅使用了一条 DC-通道,其在四条 AC-通道之间得到多路传输(请参见图 4)。DC 通道仍然拥有高可靠性的同时,总电流消耗维持在最低水平,乐橙从而比双通道版本仅有最低限度的增加。

  图 6 所示的 TDDB 曲线表明,电容隔离器的测试数据(时间为 5 年)完全匹配 E模型预测,从而得出在 400 Vrms (560 Vpk) 工作电压下 28 年的预计使用寿命,而相同电压下电感隔离器的预计使用寿命则小于 10 年。TDDB 曲线 kV 之间电容隔离器的寿命比电感隔离器长约 10 倍。

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