隔离

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<strong>电路功能与优势</strong>

本电路是一个由高功率开关MOSFET组成的H电桥，由低压逻辑信号控制，如图1所示。该电路为低电平逻辑信号和高功率电桥提供了一个方便的接口。H电桥的高端和低端均使用低成本N沟道功率MOSFET。该电路还在控制侧与电源侧之间提供隔离。本电路可以用于电机控制、带嵌入式控制接口的电源转换、照明、音频放大器和不间断电源(UPS)等应用中。

现代微处理器和微控制器一般为低功耗型，采用低电源电压工作。2.5 V CMOS逻辑输出的源电流和吸电流在μA到mA范围。为了驱动一个12 V切换、4 A峰值电流的H电桥，必须精心选择接口和电平转换器件，特别是要求低抖动时。ADG787是一款低压CMOS器件，内置两个独立可选的单刀双掷(SPDT)开关。采用5 V直流电源时，有效的高电平输入逻辑电压可以低至2 V。因此，ADG787能够提供驱动半桥驱动器ADuM7234所需的2.5 V控制信号到5 V逻辑电平的转换。

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隔离式半桥栅极驱动器可用于许多应用，从要求高功率密度和效率的隔离式DC-DC电源模块，到高隔离电压和长期可靠性至关重要的太阳能逆变器等等，不一而足。本文将详细阐述这些设计理念，探索隔离式半桥栅极驱动器解决方案在提供高性能和小尺寸方面的卓越能力。

隔离式半桥驱动器的功能是驱动上桥臂和下桥臂N沟道MOSFET(或IGBT)的栅极，通过低输出阻抗降低导通损耗，同时通过快速开关时间降低开关损耗。上桥臂和下桥臂驱动器需要高度匹配的时序特性，以实现精确高效开关操作。这减少了半桥关断和开通之间的死区时间。实现隔离式半桥栅极驱动功能的典型方法是使用光耦合器进行隔离，后跟高压栅极驱动器IC，如图1所示。该电路的一个潜在问题是，仅有一个隔离输入通道，而且依赖高压驱动器来提供通道间所需的时序匹配以及应用所需的死区。另一问题是，高压栅极驱动器并无电流隔离，而是依赖结隔离来分离同一IC中的上桥臂驱动电压和下桥臂驱动电压。在下桥臂开关事件中，电路中的寄生电感可能导致输出电压VS降至地电压以下。发生这种情况时，上桥臂驱动器可能发生闩锁，并永久性损坏。

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许多传感器接口应用要求信号和电源隔离。为了运行模数转换器(ADC)、提供传感器偏置以及实现数字信号隔离，电源是必需的，但隔离电源的开关噪声可能会影响高精度测量。例如，当ADuM5201 isoPower的储能电路工作时，会产生360 MHz的噪声。如果该噪声与ADC的采样时间重合，噪声将耦合到传感器偏置、ADC电源或基准电压源中，导致测量丧失一定的保真度。为减少干扰，数字系统的常规做法是在时钟沿之间开始ADC转换，确保开关噪声不与电压转换相互作用。

isoPower产品的工作方式是让一个高电流储能振荡器在内部微变压器中运行。电源被耦合到副边，然后整流为直流。副边调节输出电压，产生一个PWM式信号，并通过一个iCoupler®数据通道将其送回原边，从而根据副边电源和电压需求开关储能振荡器。ADI公司有多款isoPower器件允许通过外部引脚直接控制储能电路，因此一个公共PWM信号就能控制多个isoPower器件。当ADC进行高保真度转换时，可以利用这一特性来消除储能电路噪声。ADuM520x、ADuM620x、ADuM5000和ADuM6000可以用
作外部主控制器的从机，支持这种功能的控制线可以接受用来禁用储能电路的BLANK(屏蔽)信号。使用两条控制线： RCIN和RCSEL。

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触电安全的主要原则是，在危险加电电路与电气器件用户可接触的任何导体间必须存在相当于两个
独立绝缘系统的屏障。绝缘系统之一可为安全接地机壳加上单个内部绝缘层。另一种方法是配置两个绝缘系统以提供冗余保护。因此，使用双重绝缘方法的复杂电气系统要求在不损失信号完整性的前提下通过两个绝缘层进行电流隔离通信，这就需要具有等效电气强度和双冗余绝缘系统可靠性的器件。这种器件称为加强绝缘器件，依靠结构、型式试验和生产中持续监控来确保与两个独立系统具有同等的安全性。

本文将讨论如何根据IEC 60950、相关的IEC 60747-5-5及VDE-0884-10标准的结构和测试要求在光耦合器和数字隔离器中实现加强绝缘，以及与其他适用于两类隔离器的公认IEC标准的差异。

<strong>安全隔离</strong>

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<strong>作者：Ronn Kliger和Sean Clark</strong>

<strong>简介</strong>

控制器区域网络(CAN)总线是设计用于工业应用的一种稳定的协议，最初针对汽车应用而开发。它规定最大电缆长度为40米，最大节点数为30。这种规范十分灵活，优势明显，因此其应用日益广泛。

由于CAN总线系统通常用于连接多个系统，铺设距离很长，因此总线和所连接的各系统之间的隔离非常关键。隔离可以防止CAN总线电缆网络与连接至总线的系统之间的过压瞬变造成破坏，同时消除网络中的接地环路，减少信号失真和误差，并防止电压/接地失配影响电路。

本应用笔记的目的是向用户简要介绍CAN总线协议，重点讨论系统物理层，并解释系统隔离的重要意义。本应用笔记还详细说明了如何在CAN总线系统中利用ADI公司的iCoupler产品实现隔离。

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<strong>简介</strong>

ADI公司的iCoupler®产品提供了一种替代光耦合器的隔离解决方案，具有出色的集成度、性能和功耗特性。一个iCoupler隔离通道包括CMOS输入和输出电路与一个芯片级变压器(见图1)。由于数字隔离器采用CMOS技术，因此在系统级ESD(静电放电)、电涌电压、快速瞬变或其他过压条件下，它们容易受到闩锁或ESD的破坏。

本应用笔记提供关于避免这些问题的指南。针对各种系统级测试配置，本文举例说明了其可能影响性能的机制。针对每个示例，本文都给出了推荐解决方案。

<strong>器件与系统</strong>

简单地说，器件是带互连线的单一集成装置，而系统则是由多个互连器件构建而成的非集成装置。器件与系统几乎在所有情况下都是泾渭分明。但是，器件测试与系统测试之间的区别可能并不是那么明显。此外，器件的技术规格可能并未直接说明它在系统级测试中的表现。ESD测试就是一个很好的例子。

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<strong>作者：Bob Briano，ADI公司营销和应用经理；Aengus Murray，ADI公司电机和功率控制应用经理</strong>

<strong>简介</strong>

工业电机驱动中使用的电子控制必须能在恶劣的电气环境中提供较高的系统性能。电源电路会在电机绕组上导致电压沿激增现象，而这些电压沿则可以电容耦合进低电压电路之中。电源电路中，电源开关和寄生元件的非理想行为也会产生感性耦合噪声。控制电路与电机和传感器之间的长电缆形成多种路径，可将噪声耦合到控制反馈信号中。高性能驱动器需要必须与高噪声电源电路隔离开的高保真反馈控制和信号。在典型的驱动系统中，包括隔离栅极驱动信号，以便将逆变器、电流和位置反馈信号驱动到电机控制器，以及隔离各子系统之间的通信信号。实现信号隔离时，不得牺牲信号路径的带宽，也不得显著增加系统成本。光耦合器是跨越隔离栅实现安全隔离的传统方法。尽管光耦合器已使用数十年，其不足也会影响系统级性能。

变速电机驱动器在工业应用中的广泛使用要归功于高效电源开关和具有成本优势的电子控制电路。设计上的困难则是用低压控制电路耦合高功率开关电路，而不牺牲抗噪性能或开关速度。

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ADuM4135是一款单通道栅极驱动器，专门针对驱动IGBT进行了优化。 ADI的iCoupler® 技术支持在输入信号与输出栅极驱动器之间实现隔离。

ADuM4135提供米勒箝位，以便栅极电压低于2 V时实现稳健的IGBT单轨电源关断。可采用带有或不带有米勒箝位的单极性或双极性副电源工作。

ADI芯片级变压器还提供芯片高压域与低压域之间的控制信息隔离通信。 芯片状态信息可从专用输出回读。 当器件原边出现副电源故障后，对器件复位进行控制。

去饱和检测电路集成在ADuM4135上，提供高压短路IGBT工作保护。 去饱和保护包含降噪特性，比如因初始启动切换事件以屏蔽电压尖峰后，屏蔽时间为300 ns。 内部500 µA电流源可确保很少的器件数量，但如需提高抗噪水平，内部消隐开关也支持增加外部电流源。

<strong>应用</strong>

* MOSFET/IGBT栅极驱动器
* 光伏逆变器
* 电机驱动
* 电源

详细：

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<strong>作者：David Krakauer，ADI公司iCoupler隔离产品线经理</strong>

一方面，设计工程师不想在系统中增加电流隔离；另一方面，为了满足国内或国际安全法规要求，他们不得不这样做。增加电流隔离的弊端是隔离直接放在数据路径中，会导致延迟并使系统变慢。此外还会增加功耗、尺寸和成本。这些折中令人遗憾。多年来，设计工程师使用光耦合器，勉强应对这些缺点，但一种新型电流隔离器——数字隔离器已经上市，缓解了这些不利影响。利用数字隔离器可以实现尺寸更小、能效更高、更具性价比、性能更高的设计。然而，安全标准并未同步跟进，给数字隔离器带来了困惑和不确定性：它们是否像电流隔离一样安全？它们是否满足安全法规要求？

答案是肯定的：数字隔离器能够满足国内和国际标准的安全要求。但是，大多数供应商提供的光耦合器具有相似的结构，数字隔离器则不然，不同供应商以不同方式设计和制造数字隔离器，因而隔离能力不尽相同，特别是与光耦合器强健的隔离能力相比较时。因此，并非所有数字隔离器技术和实现方案都能提供同样的安全性。

隔离器有四个主要考虑因素：

• 绝缘材料
• 隔离元件
• 数据传输架构
• 封装

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<strong>作者：应用工程师Hein Marais</strong>

RS-485差分通信网络经常用于恶劣环境下的工业和仪器应用中。这些网络能够在4000英尺的范围内进行通信。在恶劣环境下进行长距离通信时，可能出现以下问题：

• 由于不同节点的地电位不同而引起接地环路电流
• 电机、电感转换负载和其他高噪声电气设备造成感应接地噪声
• 有害电涌

如果无法保证系统中不同节点的地电位不会超出收发器的共模范围，则电流隔离不失为一种理想的解决方案。电流隔离不阻止信息流，但阻止电流流动。传统RS-485网络使用光耦合器进行信号隔离，使用DC-DC转换器进行电源隔离（见图1）。