CMOS数字隔离优势揭秘

CMOS数字隔离优势揭秘

最近,作为芬兰阿尔托大学一项研究的一部分,一项关于Silicon Labs隔离器的研究引起了我的注意。这项研究是Mikael Lumio先生的硕士毕业项目的一部分。该研究的结果很有趣,也是最全面,独立的隔离性能研究之一。Lumio先生介绍了基于CMOS的隔离技术的一些问题。

在他的论文中,他比较了不同类型的CMOS隔离和传统的光耦合器解决方案。分析中包括基于电容的隔离器(SiliconLabs的技术),基于感应(变压器)的隔离器和基于磁阻的隔离器。对于许多规格,基于电容的解决方案优于其他技术。与光耦合器相比,Lumio先生的分析清楚地显示了基于CMOS的隔离在共模瞬态抗扰度(CMTI),每通道电流消耗,数据速率,偏移和其他定时规范方面的优势。

除了比较数据表外,Lumio先生还比较了隔离性能。Lumio先生的论文做出了很好的工作,描述了国际认证机构通常规定的不同隔离参数。然后,论文使用这些描述来比较不同的CMOS隔离技术。对于所有技术,隔离功能与传统光耦器件相当。唯一落后的参数是浪涌冲击抗扰度,但基于CMOS的隔离器正在迅速追赶。

Lumio先生的论文特别侧重于将隔离技术应用于变频驱动(VFD)系统。VFD越来越多地用于所有类型的电机驱动应用中。全球电机驱动器效率标准鼓励使用变频驱动器,在任何适用电机应用的地方。论文列举了“吹风机,压缩机,输送带,冷却和循环泵,起重机,工厂机器人,风扇,电梯,起重机,搅拌机,造纸厂和印刷机”,作为VFD被用于提高效率的相关应用。

变频驱动通常由整流的交流线路输入供电,用于向电动机提供三相交流输出。电源为系统的其余部分提供高直流电压。在典型系统的几个部分需要隔离。VFD通过多相逆变器将直流电源转换为交流信号。逆变器具有连接到高压电源的开关,必须采用隔离保护控制电路。驱动器的输出端连接到电机的绕组。每个绕组通常都有一个隔离传感器连接用于电流和电压测量。无论是用于保护操作人员和与系统接触的人员,还是用于电路保护的功能隔离,系统中都需要安全隔离。

除了具体的隔离要求,Lumio先生还研究了基于CMOS隔离的附加功能,以评估其在VFD中的适用性。电磁兼容性(EMC)特别令人关注。还对ESD性能进行了评估。最后,考虑了各种CMOS隔离器的相对成本。

关于成本问题,论文发现,在批量生产的情况下,基于CMOS的隔离器的成本较低。在他的分析中,Lumio先生不仅考虑了设备成本,还囊括了间接成本,并包括PCB面积和组件数量的减少。对于典型的现场总线串行通信应用,Lumio先生的研究表明,从传统的光耦合器解决方案转变为现代隔离解决方案,降低了近1/5的成本。对于更具体的IGBT驱动功能,成本的降低并不大。然而,仍然是大约1/10。

由于VFD运行的环境,EMC是Lumio先生论文的焦点。与电动机驱动相关的高压开关意味着使用的部件必须免受大量的电磁噪声。Lumio先生发现,即使存在大量的电磁干扰,现代的基于CMOS的隔离器也将按预期的方式进行。SiliconLabs的隔离器在所有测试中显示出很强的鲁棒性。例如,在RF抗扰度评估中,Silicon Labs的隔离器即使在存在20V/m射频能量的情况下也没有错误。

Lumio先生写道,“SiliconLaboratories的数字隔离器在所有测试中都是顶尖的。”他的论文是CMOS隔离器在要求高可靠性的苛刻应用如电机驱动中的适用性的另外的证据。我们感到自豪的是SiliconLabs的基于电容的隔离在Lumio先生的分析中得到了很好的解决,而且我们的目标是提供比竞争解决方案更高性能,更可靠的隔离电路。

更多有关信息,请访问我们的“隔离解决方案”页面:  http://cn.silabs.com/products/isolation

MikaelLumio先生论文全文: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201608263077