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内部法拉第屏蔽和小型Ci-o友好光耦电流隔离性能

本文重点介绍了Broadcom隔离技术,即光耦合器、磁耦合器和电容耦合器。

在今天的背景下,高压隔离涉及到集成具有大电压差和系统接地电位的子系统。这使隔离应用范围从电源,伺服自动化系统的电机控制电路,工业机器人,电池管理系统,光伏(PV)逆变器,电动汽车变频器、超高速充电和无线充电站的数据通信和数字逻辑接口电路.

基本上,提供电气隔离的最重要的部件,即通过破坏直接传导路径来实现不同子系统的集成,称为隔离器或耦合器。集成电路(IC)可组合成隔离器,用于驱动等各种电气功能。电力电子设备,高精度电流和电压测量,模拟和数字通信和逻辑接口,和隔离电源转换。

 

隔离技术

隔离技术主要有三种:光耦合器、磁耦合器和电容耦合器。以下表1显示了不同隔离技术、部件安全认证和寿命可靠性失效机制之间的关键差异。

 

Internal Faraday Shield and Small Ci-o Friendly Optocoupler Galvanic Isolation Performance
表1:不同隔离技术、部件安全认证和寿命可靠性失效机制之间的关键差异。

 

光耦合器通过使用LED将电信号转换为光信号通过隔离屏障发送电信号,而在厚度为0.08mm至2mm的隔离屏障的另一侧,通过光电二极管将光信号转换为电信号。从寿命可靠性的角度看,光耦合器绝缘材料的完整性可以通过局部放电测量来预测。

理论介电强度值的绝缘材料将始终适用,如果光耦制造商可以持续生产纯绝缘屏障。然而,高压介质通常含有缺陷,如空气或其他杂质的空洞和夹杂。这些空穴具有较低的击穿强度比周围的介质,并将放电或电弧时,他们的击穿强度达到。然而,放电仅限于空穴的长度,放电后将通过良好的介电介质以有限的电流缓慢地充电。

空隙最终充电到击穿电压,并再次放电,因为这一过程继续,只要施加的电场仍然足够高。这些放电被认为是“部分的”,因为它们发生在介质阻挡长度的有限部分的空隙上。局部放电不能通过泄漏电流测量来检测,随着时间的推移,局部放电会在绝缘中扩散,最终导致绝缘完全破裂。因此,问题是在制造试验中检测局部放电的存在,以防止这种现象在现场发生退化。

采用三种关键设计方法,进一步提高了宽带光耦合器的高压绝缘强度。第一种方法是在LED和光电二极管之间插入一种称为Kapton磁带的透明聚酰亚胺。第二种方法是使用专有的、低成本的法拉第屏蔽,它将光耦输入侧与输出侧解耦。图1显示了Broadcom光耦合器的隔离结构。第三种方法是采用独特的封装设计,使输入输出电容最小。这三种设计方法的重要性将在本技术文件中详细讨论,并附以高压浪涌试验作为证明。

 

Figure 1: Broadcom optocouplers isolation construction which incorporates Kapton tape and Faraday shield for enhance insulation strength.
图1:Broadcom光耦合器隔离结构,其中包括卡普顿磁带和法拉第屏蔽,以提高绝缘强度。

 

磁耦合器使用两个线圈,它们互相堆叠在一起,中间有一个约0.02mm的分离聚酰亚胺材料。交流信号的应用会产生磁场,而磁场又会在二次线圈中产生电场。由于传输是通过磁场耦合,磁耦合器也容易受到附近的磁干扰。

图2显示了磁耦合器隔离结构的一个例子,在线圈之间有一对顶部和底部线圈与聚酰亚胺绝缘材料。为了使绝缘强度加倍,采用两套磁圈作为隔离通道,绝缘厚度约为0.04mm。磁耦合器绝缘材料的失效方式是空间电荷退化。

 

Figure 2: Magnetic coupler isolation construction with a single pair of top and bottom coils with polyimide insulation material in between.
图2:磁耦合器隔震结构与单对顶部和底部线圈与聚酰亚胺绝缘材料之间。

 

顾名思义,电容式耦合器的结构非常类似于陶瓷电容器,其中厚度约为0.015毫米的二氧化硅(SiO 2)介质夹在靠近的两个金属板之间,通常是铝(Al)。在铝板上生长SiO 2晶体。通过电容隔离屏障传输的信号通常是交流电信号。

影响电容式耦合器绝缘强度的因素之一是SiO 2晶体的生长情况。晶体中的缺陷会削弱绝缘材料。电容式耦合器的寿命可靠性失效模式是随时间变化的介质击穿(TDDB).与磁耦合器类似,为了使绝缘强度加倍,采用两组电容器作为一个隔离通道,绝缘厚度增加一倍,达到0.03mm左右。图3显示了典型的双电容隔离结构。

 

Figure 3: Capacitive coupler isolation construction with two series caps where SiO2 dielectric is sandwiched in between by two Alu metal layers.
图3:电容式耦合器隔离结构与两个系列盖,其中SiO_2介电夹在中间两个铝金属层。

 

光电耦合器通过iec 60747-5-5的组件安全认证以加强隔离.该国际认证承认局部放电是绝缘材料损坏的失效机制。因此,认证只适用于光耦合器。德国VDE 0884-10/11标准对绝缘材料的绝缘强度进行了部分放电测试,但这不适合于预测磁(空间电荷退化)和电容耦合器(TDDB)的寿命可靠性。

 

高压浪涌试验

快速台架测试装置可以方便地组装,以比较各种隔离器的绝缘强度。下面的图4显示了使用ESD枪施加高压浪涌的测试设置。ESD枪的电压分布具有非常快的上升时间约1 ns,慢下降时间为30 ms。该波形不同于IEC 60060-1标准的1.2s/50s标准浪涌剖面,但足以用于比较不同隔离技术的高压强度。

 

Figure 4: High voltage surge test setup shown on the left and on the right side, the high voltage surge profile.
图4:高压浪涌测试设置显示在左侧和右侧,高压浪涌剖面。

 

从两家光耦制造商,Broadcom和隔离器A,一个磁耦合器(隔离器B)和一个电容式耦合器(隔离器C)选择了三个随机样本进行这次高压浪涌试验。这些隔离器是高精度电流传感西格玛三角洲调制器,内部时钟发生器内置在一个8针拉伸表面封装轮廓(SSO 8)。

隔离经得起电压,这种SSO 8封装的VISO额定为每分钟5千伏/分钟,爬电和间隙距离最小为8mm。下面的图5显示了用于保存被测试设备(DUT)的PCB的示意图。

 

Figure 5: Schematic diagram of PCB board used of high voltage surge test.
图5:高压浪涌试验用PCB板示意图。

 

两个隔离侧电源分别由9V电池提供,并通过隔离两侧的LDO稳压器调节到5V。试验是在∑调制器的Gnd1-Gnd2之间施加一个从14 kV开始的高压电平。

观察到任何异常的输出时钟和数据信号。如果输出在高压浪涌后恢复正常功能,则电压电平增加1kV,试验继续达到25 kV的试验极限。如果输出时钟和/或数据信号锁存,测试将停止。

 

(一)法拉第盾

高压浪涌将引起从Gnd 1到隔离器输入电路的高密度位移电流,然后通过整个隔离屏障形成的电容结构或寄生电容传输到输出电路和Gnd 2。下图6显示了输入电路/输入引线框架到Broadcom光耦的法拉第屏蔽线键之间形成的各种寄生电容路径。

法拉第屏蔽接地到Gnd 2,并提供一个电磁屏蔽,以消除位移电流。在电容或磁耦合器中,法拉第屏蔽并不是一个可行的解决方案。法拉第屏蔽除了瞬变外,还会阻挡用于数据传输的电场或磁场。

 

(二)输入输出电容

除了法拉第屏蔽,Broadcom光耦引线框架和封装设计优化了较小的组合输入到输出电容,cio。表2显示了各种隔离器的Ci-o值的比较.位移电流遵循i=c*dV/dt的关系,当i-o较小时,在发生高压浪涌时产生较小的位移电流。

 

Sigma-Delta调制器SSO 8封装 隔离技术 内部法拉第盾 典型的Ci-o
博通 光耦合器 0.5 PF
隔离器A 光耦合器 1.0 PF
隔离器B 磁耦合器 2.2 PF
隔离器C 电容耦合器 1.0 PF
表2:各种隔离器之间的输入输出电容比较。

 

表3显示了采用不同技术的隔离器的高压浪涌试验结果。从测试中可以看出,Broadcom光电耦合器对高压浪涌是最健壮的,在25 kV测试极限下,所有测试单元都不会出现故障。隔离器A(光电耦合器)从16 kV以上开始输出永久闭锁,而隔离器B(磁耦合器)从14 kV以上输出,隔离器C(电容耦合器)从15 kV以上输出。虽然隔离器A,B和C开始在大约相同的水平上失效,隔离器C记录了测试单元失败的高压浪涌水平的最宽范围。

 

Sigma-Delta调制器 发生故障前Gnd 1-gnd 2的高压暂态 失效模式
光耦合器

Dut 1:不超过25 kV试验极限的故障

Dut 2:不超过25 kV测试极限的故障

Dut 3:25 kV以下无故障

无故障观测
隔离器A(光耦合器)

Dut 1:16 kV

Dut 2:18 kV

Dut 3:17 kV

输出时钟和/或数据锁存永久低/高
隔离器B(磁性)

Dut 1:15 kV

Dut 2:18 kV

Dut 3:14 kV

输出时钟和数据锁存永久低/高
隔离器C(电容)

Dut 1:21 kV

Dut 2:15 kV

Dut 3:17 kV

输出时钟和数据锁存永久低/高
表3:不同隔离器的高压浪涌试验结果。

 

作为高度可靠的光电耦合器电流隔离技术的倡导者之一,Broadcom的投资组合涵盖了一些内部高度采用的用于基于分流器的电流和电压传感解决方案的内部时钟式Sigma-Delta调制器。表4显示了采用SSO 8包格式的内部时钟Sigma-Delta调制器的Broadcom产品。汽车AEC-Q 100合格,Ta,最大值=125°C。

 

Broadcom部件编号 输入线性范围 输入全量程 时钟频率 典型信噪比 典型的偏移温度漂移(TCVOS)
ACPL-C 740 ±200 mV ±320 mV 20 MHz 86分贝

0.3μV/°C

ACPL-C 797 ±200 mV ±320 mV 10兆赫 78分贝 1.0μV/°C
ACPL-C797T^ ±200 mV ±320 mV 10兆赫 79分贝 -
ACPL-C 799 ±50 mV ±80 mV 10兆赫 77分贝 0.3μV/°C
ACPL-C799T^ ±50 mV ±80 mV 10兆赫 77分贝 0.1μV/°C
表4:Broadcom内部时钟,光学隔离,CMOS输出,高精度西格玛-三角洲调制器安装在SSO 8封装格式。

 

参考文献

  1. “光耦设计师指南”,av02-4387en_dg_opto_2014-01-03.pdf,2014年1月3日
  2. “ACPL-C 740光学隔离Sigma-Delta调制器”,ACPL-C740-DS 103数据表,2019年4月1日
  3. “忽略发现局部放电故障
  4. “ISO72x系列高速数字隔离器”,应用报告,Kevin Gingerich和Chris sterzik,2018年8月

(责任编辑:ioter)

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