川土微電子經(jīng)濟(jì)型低速數(shù)字隔離器CS817x2x在家電及工業(yè)上的應(yīng)用

本篇重點(diǎn)介紹川土微電子數(shù)字隔離器CS817x2x產(chǎn)品的特點(diǎn)、隔離參數(shù)以及典型應(yīng)用。該產(chǎn)品具有超高的性價(jià)比，非常適合在400 VRMS電壓以下的系統(tǒng)中，作為信號(hào)的隔離使用。

01 介紹

隔離是一種防止系統(tǒng)兩部分之間有較大的直流或交流干擾的方法，同時(shí)允許信號(hào)可以在這兩部分系統(tǒng)正常傳輸。隔離可以保護(hù)操作人員；保護(hù)設(shè)備并防止高壓系統(tǒng)中干擾損壞昂貴的處理器；切斷長距離、多節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，通信網(wǎng)絡(luò)中的接地回路。

主流的隔離方法有三種，基于光電耦合的隔離、基于變壓器的磁耦合隔離以及基于二氧化硅（SiO2）介質(zhì)的電容耦合隔離。目前低速隔離通信以光耦和電容隔離為主，高速隔離通信三種方案并存。

低速光耦隔離，在各種使用場景中具有以下問題：

1）普通低速光耦在115200bps的速率下，通訊不太穩(wěn)定，容易出現(xiàn)誤碼，可靠性不高。

2）光耦為電流型器件，翻轉(zhuǎn)所需的電流一般要5mA以上，而數(shù)字隔離器一般只需要1mA。

3）普通光耦隨著溫度的升高，通訊容易發(fā)生異常。為保證可以在全溫度范圍、全生命周期可靠運(yùn)行，需要設(shè)計(jì)復(fù)雜外圍電路來實(shí)現(xiàn)。

4）普通光耦多采用紅光發(fā)光LED和光電二極管，器件之間的電壓電流特性、光電特性、光衰特性具有較差的一致性。

5）光耦壽命一般只有10年，在一些應(yīng)用場景中是不夠的。如2020新版的國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求隔離壽命16年以上，光耦就很難實(shí)現(xiàn)。

川土微電子CS817x2x隔離器系列，具有200Kbps的傳輸速率，該速率下僅需160μA 電流，可以支持 -40~105°C 的工作溫度，400VRMS的隔離工作電壓，高達(dá)40年工作壽命，適用于很多應(yīng)用領(lǐng)域。如家電領(lǐng)域的，冰箱及空調(diào)的壓縮機(jī)控制，熱水器，吸油煙機(jī)，空氣凈化器等；工廠和樓宇自動(dòng)化控制，如PLC，伺服控制，變頻控制等，以及智能電表，電動(dòng)兩輪車，換電柜，自動(dòng)販賣機(jī)，園林電動(dòng)工具等。

02 CS817x2x隔離器特性

川土微電子隔離技術(shù)基礎(chǔ)

川土微電子隔離器使用二氧化硅作為信號(hào)隔離的電絕緣介質(zhì)。通常使用兩個(gè)串聯(lián)的二氧化硅電容器，即在隔離柵的每側(cè)各一個(gè)，從而實(shí)現(xiàn)高壓隔離，等效隔離圖示如圖1所示。與基于傳統(tǒng)的光耦和電感的（磁隔）隔離器相比，二氧化硅所提供的介電強(qiáng)度較高，不會(huì)因暴露于環(huán)境濕度而退化，并且可以有大于40年的隔離壽命。為了更深一層關(guān)于川土隔離技術(shù)的說明，請(qǐng)參閱使高壓信號(hào)隔離質(zhì)量和可靠性。

圖 1 ：串聯(lián)電容器隔離

關(guān)鍵性隔離規(guī)格參數(shù)

在選擇正確的數(shù)字隔離器之前，應(yīng)了解關(guān)鍵的隔離規(guī)格參數(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)人員來說，了解系統(tǒng)應(yīng)用的隔離規(guī)范要求是很重要的，只有知道所需要的隔離要求，設(shè)計(jì)師才可以知道隔離器對(duì)系統(tǒng)能提供多大的保護(hù)，如隔離器能承受的最大電壓是多少？數(shù)字隔離器的高壓隔離性能，如最大瞬態(tài)隔離電壓（VIOTM），最大隔離電壓（VISO），最大浪涌隔離電壓（VIOSM），最大重復(fù)峰值隔離電壓（VIORM），最大工作隔離電壓（VIOWM），共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）。這些參數(shù)代表數(shù)字隔離器處理高壓的能力，不同大小的耐壓和瞬態(tài)響應(yīng)是選擇隔離器的標(biāo)準(zhǔn)。

●   最大瞬態(tài)隔離電壓（VIOTM）

IEC 60747-5-5和VDE 0884-11中規(guī)定：隔離器在不發(fā)生故障的情況下可處理長達(dá)60秒的峰值瞬態(tài)電壓。系統(tǒng)電源上的電弧或負(fù)載變化會(huì)引起干擾，電壓可能會(huì)短暫地變成線路電壓的幾倍。隔離器必須能夠在不損壞的情況下處理這些過電壓。

●   最大隔離電壓（VISO）

與VIOTM相似，根據(jù)UL 1577，隔離耐受電壓定義為隔離器能夠在60秒內(nèi)不發(fā)生擊穿的電壓的均方根（rms）值，電壓的差值是峰值。

●   最大浪涌隔離電壓（VIOSM）

隔離器承受特定的瞬態(tài)電壓的極高電壓脈沖的能力。該波形圖 2所示。此參數(shù)表示直接和間接浪涌沖擊。根據(jù)IEC 60747-5-5和VDE 0884-11，具有最大浪涌隔離電壓VIOSM的隔離器必須在峰值電壓為VIOSM的1.3倍時(shí)通過浪涌測試，以實(shí)現(xiàn)基本隔離，和1.6倍的VIOSM加強(qiáng)隔離。當(dāng)通過10kV以上的浪涌試驗(yàn)時(shí)，數(shù)字隔離器可以稱為組件級(jí)增強(qiáng)型。

圖2：隔離器抗瞬態(tài)電壓能力

●   最大重復(fù)峰值隔離電壓（VIORM）

在IEC 60747-5-5和VDE 0884-11中定義為隔離器能夠承受的最大重復(fù)峰值電壓。本規(guī)范旨在鑒定隔離器在每天連續(xù)的隔離電壓。

●   最大工作隔離電壓（VIOWM）

類似于最大重復(fù)峰值電壓，工作電壓為最大有效值，或等效直流電壓，隔離器能夠在規(guī)定的長壽命內(nèi)承受。同樣，差異是以rms表示的值，而不是峰值電壓。

●   共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）

共模瞬態(tài)抗擾度是指隔離器在其兩個(gè)接地之間承受高轉(zhuǎn)換率電壓瞬變的能力，而不會(huì)損壞通過它的信號(hào)，這可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸錯(cuò)誤。在某些應(yīng)用中，由瞬變引起的這些信號(hào)誤差可導(dǎo)致短路事件。更高的CMTI表明隔離通道更加可靠。

●   爬電距離和電氣間隙

爬電和間隙是指沿封裝表面的距離，以及隔離器一側(cè)插腳與另一側(cè)插腳之間的空氣距離。該距離由基于隔離電壓要求等參數(shù)的系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

CS817x的這些隔離參數(shù)可詳見于數(shù)據(jù)手冊(cè)。

表1 CS817x2x VDE 隔離參數(shù)

表2 CS817x2x UL隔離參數(shù)

CS817x2x系列產(chǎn)品特性

CS817x2x是一系列低功耗雙通道數(shù)字隔離器，采用川土微電子專利技術(shù)“CAPACITIVE DIGITAL ISOLATOR CIRCUIT WITH ULTRA-LOW POWER CONSUMPTION BASED ON PULSE-CODING”（美國發(fā)明專利，專利號(hào)：US 11,418,179  B2）。該技術(shù)融合pulse與OOK (ON-OFF-KEY) 調(diào)制，但比pulse調(diào)制更為可靠，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)極低的低靜態(tài)功耗。在隔離CMOS數(shù)字IO時(shí)，CS817x器件可提供高電磁抗擾度和低輻射。所有器件版本均具有施密特觸發(fā)器輸入，可實(shí)現(xiàn)高抗噪性能。每條隔離通道的邏輯輸入和輸出緩沖器均由二氧化硅絕緣柵隔離?；菊{(diào)制與解調(diào)的工作原理如下圖：

圖3 Pulse-coding容隔調(diào)制解調(diào)技術(shù)

通過檢測信號(hào)上升沿和下降沿來判斷和還原信號(hào)的高低電平，其他時(shí)間段芯片可以處于低功耗模式，從而整體上可以實(shí)現(xiàn)非常低的功耗。同時(shí)因?yàn)榻^大部分時(shí)間器件處于低功耗狀態(tài)，可以改善整體的EMI特性。

圖4 Pulse-coding容隔調(diào)制解調(diào)原理

CS817x2x系列產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)概括如下：

1）實(shí)現(xiàn)極低靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電流：90μA @ 3.3V，靜態(tài)條件 ；160μA @ 3.3V，200kbps傳輸速率；

2）Pulse-coding技術(shù)：高可靠性、融合了OOK調(diào)制和脈沖調(diào)制的優(yōu)勢(shì)；

3）Refresh技術(shù)：確保輸出與輸入的狀態(tài)在任何情況下一致；

4）固定解調(diào)時(shí)間窗口：極小的脈寬失真（PWD），最大100ns。

下表為CS817x2x選型表：

03 典型應(yīng)用

根據(jù)隔離器在應(yīng)用系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的功能，可以分為：

a）模塊之間串口通信隔離

b）ADC輸出信號(hào)與MCU之間隔離

c）比較器輸出信號(hào)與MCU之間隔離

d）MCU控制信號(hào)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間隔離

e）MCU控制信號(hào)與繼電器控制器之間隔離

f）具有不同參考地的MCU之間隔離

下面將列舉一些典型的應(yīng)用案例。

●   01 吸油煙機(jī)

圖 5 展示了吸油煙機(jī)的電路框圖。220V單相電整流成310V的直流電，該直流電通過一個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)用于風(fēng)扇的有刷直流電機(jī)。從框圖中可以看出數(shù)字隔離器主要用于對(duì)外通信，高壓側(cè)H橋的控制，高壓側(cè)電壓電流采樣和比較的隔離。

圖 5 吸油煙機(jī)示意框圖

●   02 PLC

圖 6 展示了PLC的電路框圖。CS817x2x適用于電網(wǎng)單向供電系統(tǒng)（器件400VRMS 隔離耐壓），工業(yè)可編程邏輯控制系統(tǒng)包含模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、通信接口等內(nèi)外部的連接模塊。

這些部分都需要隔離器進(jìn)行隔離，以此來保護(hù)PLC控制器芯片。

圖 6 PLC示意框圖

圖 7為具有 PLC 輸入模塊的環(huán)路供電式現(xiàn)場發(fā)送器。該應(yīng)用中，由于系統(tǒng)只能接收到4mA的供電電流，從而對(duì)每個(gè)芯片的靜態(tài)電流都有較高的要求，CS817x2x的單通道電流可以到90μA @ 3.3V，非常適合此類的應(yīng)用。

圖 7 具有 PLC 輸入模塊的環(huán)路供電式現(xiàn)場發(fā)送器

●   03 智能電表

圖 8 展示了智能電表的電路框圖。主要用于單向電表。智能電表內(nèi)部一般有兩個(gè)模塊需要隔離，計(jì)量模塊與MCU之間，以及MCU與RS485收發(fā)器之間。CS817x2x具有200kbps的傳輸速率、極低的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電流、40年的隔離壽命、以及較高的性價(jià)比，非常適合這類的應(yīng)用。

圖 8 智能電表示意框圖

●   04 換電柜

圖 9 展示了換電柜的電路框圖。換電柜一般會(huì)有一塊主控板和很多塊充電倉從控制板，他們之間一般通過數(shù)字隔離器和接口收發(fā)器進(jìn)行互聯(lián)互通。

圖 9 換電柜示意框圖

●   05 電動(dòng)兩輪車

圖 10 展示了電動(dòng)兩輪車的電路框圖。電動(dòng)兩輪車一般采用48V蓄電池系統(tǒng)，車身控制模塊，電機(jī)控制模塊，以及喇叭、照明、顯示、制動(dòng)、加減速單元等。他們之間通過隔離器和接口，進(jìn)行互聯(lián)互通。

圖 10 電動(dòng)兩輪車示意框圖

04 總結(jié)

本文主要介紹川土微電子數(shù)字隔離器CS817x2x產(chǎn)品的特點(diǎn)，隔離參數(shù)，以及典型應(yīng)用。該產(chǎn)品具有較高的性價(jià)比，非常適合在400 VRMS電壓以下的系統(tǒng)中，作為信號(hào)的隔離使用。如想了解更多參數(shù)，可參考該產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

來源： chipanalog