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SFH6750+QTM601T1:如何隔离单电源工业自动化系统中的高电压

2018-04-25 14:43更新
  • 电压隔离
  • ADP1621ARMZ-R7
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工业自动化应用中多个系统的连接提供了许多好处,但是当这些系统之间存在高压差时,设计人员需要管理电压不一致性。 这些包括系统原因的巨大差异。

解决这些模拟和数字电流隔离挑战的硬件技术具有光学,磁性和电容屏障。 隔离传输信号的类型包括模拟信号,电源和数字信号。

本文介绍了适当的工业电压隔离解决方案及其应用。

电隔离屏障

电隔离是通过防止电压和接地之间的电流流动来分离电路的行为。 这是从两个或更多电路之间的直接连接发展而来的电流(图1)。

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图1:仔细观察工业系统,可以看到控制器,电机驱动器和功率部分的隔离要求,以及这些部分之间的通信。 

在电隔离情况下,没有直接的传导路径。这种类型的电路的美妙之处在于模拟或数字信息可以通过使用光场,磁场或电场在电流屏障上交换。这些领域打开了很多门。首先,多个系统可以在不同的接地和电压电位下安全正确地运行。他们还可以交换模拟或数字信息,而不会在过程中互相干扰或破坏。

为了解决这些问题,设计人员需要为其电路找到合适的电流隔离技术。选择是光学(LED,光电二极管),电气(电容器)或磁性(电感器)。在本文中,硅或部分半导体封装中存在所有隔离屏障的实现(图2)。

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图2:光耦合需要LED和光电二极管。 电感耦合需要两个由隔离器隔开的绕组。 电容耦合需要两个由隔离器隔开的导体。 

光电隔离

光隔离依赖于发射LED和接收光探测器之间的分离。 对于电流隔离,LED通过隔离材料(如透明聚酰亚胺)指向光电二极管。

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图3:一个光耦合器包含一个发射器(LED)和一个光电二极管(接收器),环氧树脂与引线框架之间有一层透明的聚酰亚胺,以提供隔离屏障。 

光学隔离的优点是它不受电场和磁场的影响。 但是,LED在其使用期限内会降低。

模拟信号应用于光阻

光隔离设备的屏障能够传输模拟或数字信号。 Vishay Semiconductor Opto Division IL300线性光电耦合器是一种线性光电隔离器件,封装内部具有一个LED和两个光电二极管,所有器件都彼此电隔离。 在IL300芯片中,LED光照射在两个光电二极管上以产生等效电流(IP1和IP2)(图4)。

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图4:IL300 LED和光电二极管1(IP1)位于隔离栅的左侧。光电二极管2(IP2)位于隔离栅的右侧。 

在图4中,U1放大器(Texas Instruments,TLV9064IDR)驱动IL300 LED以创建反馈光电二极管电流(IP1)。前馈光电二极管电流(IP2)通过隔离R2电阻发送,该电阻位于隔离U2放大器的反馈环路中。在这个电路中,增益等于R2 / R1。而且,Vout信号不受VCC1相对于VCC2和两个理由的变化的影响。

LED亮度随着时间的推移而降低但是,图4中的系统不依赖于LED的亮度级别;它只是要求LED打开。这是由两个光电二极管同样​​捕获。要将IL300应用于图1中的框图,适当的位置可能位于人机界面(HMI)和机器人控制器之间。

数字信号应用于光电屏障

光耦合器的另一种应用是将该设备用作数字发射器。 Vishay Semiconductor Opto Division的SFH6750-X007T双通道光耦合器和QT Brightek的QTM601T1单通道光耦合器是高速光耦合器,具有漏极开路NMOS晶体管输出,可轻松隔离模数(ADC)信号的三通道数字输出,转换器(图5)。

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图5:SFH6750双通道isocoupler和QTM601T1单通道isocoupler创建隔离屏障隔离24位ΔΣADC。

在图5中,一个24位德耳塔西格玛(ΔΣ)转换器的串行输出代码从电路的隔离端传输到系统端。 SFH6750在数字领域以光学方式完成此传输。

SFH6750和QTM601T1配置提供高达10兆字节(MBd)的传输速度,使其适用于高速数据应用。 从图1的框图中可以看出,ADC接口的适当放置可能在人机界面(HMI)和机器人控制器之间。

感应隔离

感应隔离采用两个线圈,彼此堆叠,两个线圈之间分隔介质材料。 交流信号的施加会产生磁场,从而在次级线圈中感应出电场(图6)。

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图6:变压器配置的结构包括两个带聚酰亚胺分离的绕组。 

感应隔离非常有效。 但是,它也容易受到磁场的影响。

电感线圈屏障的电源应用

磁隔离屏障可用于模拟和电源隔离应用。 ADI公司的ADP1621ARMZ-R7隔离式升压DC-DC控制器分别为T1和Q3(图7),用于电源转换器的电感和外部功率FET。

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图7:采用ADuM3190磁隔离放大器和ADP1621升压型DC-DC开关控制器的参考设计。

在图7中,ADI公司的ADUM3190ARQZ-RL7高稳定度线性隔离误差放大器提供从T1的次级侧到初级侧的模拟反馈信号。 整个电路工作电压从5伏到24伏,适用于标准工业电源。

电容隔离

电容性隔离元件的构造包括紧靠两个极板,但在它们之间具有电介质。 二氧化硅(SiO2)材料可以植入电容板之间以产生这种隔离现象。 在这种配置中,SiO2的击穿为500至800V /微米(μm)。 这些类型的隔离器的典型距离为27 mm,隔离屏障的电压为13.5千伏(kV)至31.6 kV(图8)。

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图8:电容板之间的电介质是二氧化硅(SiO2),可提供500至800 V / mm的隔离保护。 

电容隔离适用于小空间。 然而,周围电路的复杂性比光学和磁性解决方案更为重要。

模拟应用的电容屏障

典型的电容模拟隔离器(如德州仪器AMC1301DWVRQ1或AMC1311DWV)接收模拟信号,将信号调制为数字表示,并将数字化的信号通过屏障传送(图9)。

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图9:AMC1311DWV电容式全差分模拟隔离器在屏障上传输二阶Δ-Σ调制器信号。 

在屏障的接收器侧,信号被解调回差分输出模拟信号。

电机控制环境中的感性负载易受到高开关电压波动的影响。 为确保正确的操作,这种易变的环境需要不断的监控。 采用电阻分压器降低工业电机驱动电路中高共模电压的隔离式电压检测是AMC1301和AMC1311隔离放大器(图10)的适用电机控制应用。

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图10:AMC1301感应到电感桥的FET电流。 AMC1311检测变频器中的直流母线电压。 

在图10中,相电​​流测量通过分流电阻RSHUNT和AMC1301隔离放大器完成。 AMC1311的高阻抗输入和高共模瞬变抑制能力可感测偏置电压VBIAS,从而实现系统配置的稳定读取。即使在高噪声环境下,AMC1311也能确保可靠和准确的操作,例如电机驱动器中使用的变频器的功率级。

AMC1301和AMC1311均可抵抗磁干扰,并具有高达7 kVPEAK的电流隔离。当与隔离电源配合使用时,AMC1301和AMC1311可防止高共模电压线路噪声电流进入本地接地并干扰或损坏敏感电路。

数字应用的电容屏障

典型的电容式数字隔离器接收数字信号,将信号调制为适当的交流信号,并将该信号发送给解调器,以准备将直流信号传输至输出引脚(图11)。

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图11:电容式数字隔离器需要将高直流输入调制为交流信号。 交流信号穿过隔离屏障,在那里被解调回高DC值。 

在图11中,只要发送信号保持高电平,就可以在接收器侧产生高数字发送信号。 这种逻辑的冲突是,如果电荷从电容器极板上消散,或者如果接收器端出现电源中断,输入状态为高电平时,输出可能会变为零。 如果发生这种情况,接收器数字高状态将丢失。 为了解决这个问题,调制器为数字“零”创建单个低电压,为数字“1”创建快速AC轨到轨信号(图12)。

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图12:当输入代码为“1”时,数字电容隔离器需要在屏障上发送交流信号。 当输入代码为“零”时,不需要此交流信号。 

电容式数字隔离示例使用Silicon Labs SI8422和SI8423数字耦合器连接微控制器和ADC之间的数字线(图13)。

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图13:四通道隔离SPI接口,其中三个通道从左向右发送信号,一个通道从右向左发送信号。 

电容数字设备消耗低功率,同时提供高数据速率和低传播延迟。 两款器件都支持高达150兆比特/秒(Mbits / s)的数据速率。

结论

光学,磁性和电容电隔离屏障可以解决工业自动化应用中处理模拟和数字传输信号中的多个系统所面临的挑战。 使用三种硬件和两种信号传输技术的组合可以实现适当的工业自动化解决方案。

 

 


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