在PLC中使用固態(tài)隔離器時，設計注意事項是什么？

固態(tài)隔離器 （SSI） 是為可編程邏輯控制器 （PLC） 提供隔離的有效工具。在 PLC 中使用 SSI 時，需要考慮幾個重要的因素，以確保最佳性能、可靠性和安全性。

本文簡要回顧了 SSI 在 PLC 中的應用，研究了安全系統(tǒng)架構選項，并回顧了實現(xiàn)隔離的技術選項，特別關注 SSI 的使用。

需要 PLC 來支持工業(yè)、綠色能源和基礎設施應用中越來越多地使用網絡控制（圖 1）。需要隔離以保護 PLC 和連接的設備免受電氣故障、噪聲以及不同電壓水平或接地電位差造成的潛在損壞。它確保在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中可靠、安全地運行，特別是在存在多個電源或嘈雜信號的情況下。

圖 1.PLC 和隔離柵在各種工業(yè)和基礎設施應用中都是必需的。（圖片來源：零儀器)

安全架構選項

在 PLC 中實現(xiàn)電流隔離有兩種常見方法：組隔離或通道間隔離連接（圖 2）。當成本是主要因素并且通道可以共享公共電源時，通常使用組隔離。通道間隔離因其穩(wěn)健性和靈活性而受到青睞，特別是在處理不同的電源或潛在的噪聲干擾時。

圖 2.PLC 中的電流隔離可以使用組隔離或通道間隔離來實現(xiàn)。（圖片：Analog Devices）)

選擇最佳技術

電流隔離可以使用具有不同性能特征的各種技術來實現(xiàn)，設計人員需要確認 SSI 是最佳選擇。光耦合器可以提供高水平的隔離，但它們的數(shù)據(jù)速率有限，約為 50 Mb/s。這使得它們適用于 I2C 等中低速率應用，但不適用于需要高數(shù)據(jù)速率的應用。此外，LED 會隨著時間的推移而退化，從而降低性能并限制光耦合器的使用壽命。

電感耦合可以提供更高水平的性能。它使用傳統(tǒng)的變壓器通過隔離柵發(fā)送信號和/或電源。變壓器的使用壽命長，不會像 LED 那樣退化。然而，磁芯材料可能會出現(xiàn)飽和或滯后，從而降低連接的一致性和可靠性。

電容隔離可用于使用電場在電隔離電路之間傳輸信號或電力。它可用于需要高速數(shù)據(jù)傳輸和抗磁場的應用。然而，它可能對電場和電壓尖峰敏感，并且處理高電壓的能力可能會受到限制。

基于空心杯變壓器和功率半導體的SSI提供了第四種選擇。它們有單通道和多通道設計。無芯變壓器設計，有時稱為磁耦合，與互補金屬氧化物半導體 （CMOS） 制造兼容，從而簡化了高度集成解決方案的生產。使用二氧化硅 （SiO2） 電介質可提供非常薄的高壓隔離（圖 3）。

圖 3.單通道集成SSI解決方案的框圖（上）和無芯變壓器結構示例（下）。（圖片來源：英飛凌)

SSI 應用注意事項

除了單通道與多通道設計等基本性能特征外，集成 SSI 和 PLC 時還需要考慮幾個應用因素。

• SSI 的負載能力，包括最大電壓（交流或直流）和電流，以及輸出開關速度，必須符合應用要求。

• SSI 的輸入必須與 PLC 的輸出信號兼容。例如，一些 PLC 具有 3.3 V 輸出和 16 mA 的典型電源電流。

• 過流和過溫保護等集成保護功能可以簡化集成并提高工業(yè)環(huán)境中的可靠性。

• 傳輸線端接很重要，尤其是在惡劣的環(huán)境中。通過插入串聯(lián)電阻器并使信號源的（表觀）輸出阻抗等于線阻抗，信號源處的反射因數(shù)可以為零，從而確保干凈準確的開關。

• 熱管理可能是一個重要的考慮因素。SSI 產生的熱量取決于幾個因素，包括功率半導體散發(fā)的熱量和占空比。必須提供散熱器和氣流以保持足夠的熱裕度。

總結

選擇和使用 SSI 首先要在單通道和多通道架構之間進行選擇，并確認基于 CT 的 SSI 是基于應用需求的最佳技術選擇。SSI 集成考慮因素包括負載特性、輸入兼容性、所需的保護功能、傳輸線端接和熱管理。