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光電/顯示技術  

基於安全理由均衡隔離器要素

上網時間: 2014年01月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:安全  隔離器  光耦合器  iCoupler  CMOS 

David Krakauer,ADI iCoupler數位隔離器事業群產品線經理

多年來,工業、醫療以及其它隔離系統的設計者在執行安全隔離時只有十分有限的選項:唯一理想的選擇就是光耦合器。目前的數位隔離器在性能、尺寸大小、成本、電力效率與整合性方面別具優勢。瞭解數位隔離器關鍵要素的特性以及相互依存性,對於挑選適合的數位隔離器而言是很重要的。這些要素就是絕緣材料、隔離器結構以及資料轉換方法。

設計者之所以導入隔離功能主要是基於安全法規或是為了降低來自接地迴路的雜訊等。電氣隔離可以確保資料轉換時不會出現可能造成安全性危害的電路連結或是漏洩路徑。然而,隔離功能也會增加像是延遲、功率耗損、成本以及尺寸等方面的限制。數位隔離器的目的在於符合安全性的需求,同時又能將所產生的負面影響最小化。

光耦合器(一種傳統的隔離器)會帶來最大的負面影響。它們會消耗高位準的功率,並且將資料速率限制在1Mbps以下。更具功率效能與更高速的光耦合器目前已經可以上市,但是需要耗費更高的成本。

數位隔離器問世已經超過10年,其目的是為了降低與光耦合器相關的負面影響。它們使用以CMOS為基礎的電路,並且在有效改善資料速率的同時還能夠節省顯著的成本與電力。它們是藉由前述的要素而加以定義的。絕緣材料會決定其固有的隔離能力,而且在挑選時必須確保能夠符合安全性標準。挑選結構以及資料轉換的方法是為了要克服所導致的負面影響。這三項要素必須協同運作以便使設計目標能夠獲得平衡,但是有一項無法妥協與‘平衡’的目標就是符合安全性法規的能力。

絕緣材料

數位隔離器使用CMOS製程,而且會受到代工廠常用材料的限制。非標準的材料會使生產過程更複雜,進而導致較差的生產力以及較高的成本。常見的絕緣材料包括聚合物,例如可被編織成薄膜的聚醯亞胺(PI)與二氧化矽(SiO2)等。二者都具有絕緣特性且已被用於標準半導體製程多年了。聚合物已經成為許多光耦合器的基礎,這也使其多年來一直被當做高壓絕緣器使用。

安全性標準通常會指定1分鐘電壓耐受等級(一般是2.5kVrms至5kVrms)與工作電壓(一般為125Vrms至400Vrms)。有部份的標準也會指定較短的期間、較高的電壓(例如在50us下10kV峰值)以做為加強絕緣驗證的一部分。以聚合物/聚醯亞胺為基礎的隔離器能夠形成最佳的隔離特性,如表1所示:

表1:隔離特性
表1:隔離特性

以聚醯亞胺為基礎的數位隔離器與光耦合器類似,而且在典型的工作電壓下具有更長的壽命。以SiO2為基礎的隔離器對於突波的保護力較差,應避免用於醫療等其它應用領域。

每個薄膜的固有壓力也不一樣。聚醯亞胺比SiO2具有較低的壓力,而且可以依據需要增加其厚度。SiO2的厚度(因而也是隔離能力)是受限的,超過15um的壓力可能會在製程期間導致晶片碎裂或是在隔離器的使用期間造成分層。以聚醯亞胺為基礎的數位隔離器使用厚達26um的隔離層。

隔離器結構

相較於使用來自 LED 光源的光耦合器,數位隔離器利用變壓器或電容器以電磁或電容方式耦合資料使其穿越隔離層。

變壓器透過線圈脈衝電流(如圖1所示),藉以建立一個小而且區域性的磁場,可以感應其它線圈的電流。電流脈衝很短(約1ns),因此平均電流很低。

圖1:(a)具有聚醯亞胺厚絕緣層的變壓器以電流脈衝形成磁場而感應第二線圈上的電流;(b)具有薄SiO2絕緣層的電容器利用低電流電場耦合隔離層。
圖1:(a)具有聚醯亞胺厚絕緣層的變壓器以電流脈衝形成磁場而感應第二線圈上的電流;(b)具有薄SiO2絕緣層的電容器利用低電流電場耦合隔離層。

變壓器採用差動連接,並提供高達100kV/us的絕佳共模暫態抗擾性(光耦合器一般大約為15kV/us)。相較於在板間距離進行電容耦合的依賴性,磁性耦合對於變壓器線圈之間的距離敏感度較低。這使得變壓器線圈之間可以有更厚的絕緣層,進而獲得較高的隔離能力。結合聚醯亞胺薄膜的低應力特性後,就可以讓使用聚醯亞胺的變壓器比使用SiO2的電容器更易於達到高位準的隔離能力。

電容器也是單端型態且更易於受到共模暫態的影響。電容器的差動對能夠加以補償,但會增加尺寸大小與成本。

除了總體性能之外,使用變壓器還有另一項優點:它們允許隔離電力的整合。例如ADI的isoPower技術包含一組具有資料隔離功能的隔離式DC對DC轉換器,能夠建立完整的隔離解決方案。畢竟變壓器是隔離式DC/DC轉換器的關鍵要素。這種類型的解決方案不可能藉由以電容器或是以LED為基礎的隔離器來加以實現。

資料轉換方法

光耦合器使用來自於LED的光線穿透隔離層而傳送資料:LED會在邏輯HIGH時開啟,並在邏輯LOW時關閉。當LED開啟時,光耦合器會消耗電力,在功率耗損成為重要考量的前提下,這使光耦合器無法成為一個理想的選擇。大部分的光耦合器會將輸入與/或輸出的訊號調節留給設計者處理,然而這並不一定都是十分簡單的任務。

數位隔離器使用更為先進的電路來為資料進行編碼與解碼,進而實現更快速的資料傳送以及處理複雜、雙向的介面,如USB與I2C的能力。

目前採用的方法能夠將上升緣與下降緣加以編碼,使其得以驅動變壓器的雙/單脈衝(圖2)。這些脈衝會在二次側被解碼還原成上升/下降緣。相較於光耦合器,這將可以降低功率耗損達10倍至100倍,因為其電力不會像光耦合器一樣持續的使用。其中也可以加入刷新電路,用來定期性的更新DC位準。

圖2:能夠將上升緣與下降緣編碼為單或雙脈衝的資料轉換方法。
圖2:能夠將上升緣與下降緣編碼為單或雙脈衝的資料轉換方法。

另一種方法是使用RF調變訊號,這與光耦合器採用光線的方法頗為相似;邏輯HIGH訊號會導致持續性的RF傳送。這通常被稱為「on-off」架構。這種架構的優點在於可以更快速的傳送資料使其穿越隔離層;然而,抖動有時候可能會是個問題。此外,on-off方案會比以脈衝為基礎的方法消耗更多的電力,因為邏輯HIGH訊號會持續的耗損電力。透過以脈衝為基礎的方法,功率可以降低到1μW的位準,這是其它方案不可能達成的。差動技術也可以針對共模拒斥而使用;然而,這些最好都要以差動元件像是變壓器等來使用。

選擇適當的組合

數位隔離器提供了較於光耦合器更有效而且引人注目的優點,不論是在尺寸大小、速度、功率耗損、易使用性以及可靠度等方面。在數位隔離器的類別中,不同的絕緣材料、結構與資料轉換方法的組合會區分出不同的產品,有些可能會更適合或更不適合特定的應用領域。如同前面所提到的,以聚合物為基礎的材料提供最耐用的隔離能力,這種材料幾乎可被用在所有的應用領域中,但是最為嚴苛的健康照護與重工業設備等應用將會獲得最多好處。

為了實現最耐用的隔離功能,聚醯亞胺的厚度可以增加到超過對於電容器而言仍合理的厚度;因此,以電容器為基礎的隔離可能最適於不需要安全隔離的功能性隔離。在此情況下,以變壓器為基礎的隔離可能最為有效,特別是在和差動資料轉換方法結合時,還能充份利用變壓器的差動特性及其完整優勢。

雖然每個設計者都會選擇一個最適合其設計的應用領域,而且以其特性取得適當平衡的隔離器,但是這三項參數往往還是最重要的:時序、功率耗損,當然還有隔離。為了評估不同的技術,可以參考以下圖表:依據隔離能力劃分時序及其相對於功率耗損所繪製的圖表。在此情況下,我們選擇使用突波耐受臨界值(具有2μs上升時間以及50μs下降時間的高壓脈衝,用以建立增強絕緣的適合性)來量測隔離能力。功率耗損是在1Mbps資料速率下每通道的最大功率(以mW計算);我們選擇1Mbps做為代表性速率,因為大部分對於功率敏感的應用裝置都會以適度的資料速率運作。就時序而言,我們檢視穿越隔離層的訊號總時序延遲。因此,它不但包含傳播延遲,同時也包括了抖動以及輸出上升和下降時間。

圖3:不同隔離器特點的組合,導致不同品質因素:毫無疑問的,光耦合器遠落後於數位隔離器。
圖3:不同隔離器特點的組合,導致不同品質因素:毫無疑問的,光耦合器遠落後於數位隔離器。

當以這種方式繪圖時,我們可以看到由數位處理器所佔據的性能邊界。光耦合器遠遠落在此邊界之後,而雖然光耦合器的最新改善已經使其更加接近性能邊界了,但距離數位隔離器仍有很大的差距。從圖中還可以看到不同技術也分別沿著邊界佔據不同位置,使用脈衝編碼方法且基於變壓器╱聚醯亞胺的數位隔離器具有更低的功效,而on-off鍵控方案則具有較優質的時序性能。

該圖中還隱藏著不同數位隔離器供應商如何沿此邊界從一個世代移動至下一世代的微妙細節。ADI的第二代方案移動至接該邊界的兩側:一邊是透過降低功率耗損,另一邊則是透過降低總時序延遲。這些變化的出現並未改變隔離性能。電容器供應商1只順著邊界往一個方向移動,而且是藉由提高隔離性能來達成的,但這樣做會增加總時序延遲。其原因似乎在於:增加SiO2的厚度實現了更好的隔離效果,但卻降低轉換資料所需的耦合,從而導致性能降低。

結語

在開發數位隔離技術時,必須考量是數位隔離四項要素中的各種差異,專注在絕緣材料、隔離要素與轉換資料以使其穿越隔離層等方法。例如,ADI建立以聚醯亞胺絕緣與晶片級變壓器為基礎的核心iCoupler技術,這種組合能夠提供最大的彈性,不僅整合其它的功能(如隔離式電力),同時也可以允許使用不同的資料轉換方法。該公司利用近14年來以脈衝為基礎的方法提供絕佳的功效與時序,同時仍保留利用其他具優勢的能性。這些都可以在不犧牲隔離性能的情況下全部加以實現。





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