利用数字隔离器技术增强工业电机控制性能 隔离器, 电机, 工业, 技术

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1 隔离类型简介

隔离用户和敏感的电子部件是电机控制系统的重要考虑事项。安全隔离用于保护用户免受有害电压影响，功能隔离则专门用来保护设备和器件。电机控制系统可能包含各种各样的隔离器件，例如：驱动电路中的隔离式栅极驱动器;检测电路中的隔离式ADC、放大器和传感器;以及通信电路中的隔离式SPI、RS-485、标准数字隔离器。无论是出于安全原因，还是为了优化性能，都要求精心选择这些器件。

虽然隔离是很重要的系统考虑，但它也存在缺点：会提高功耗，跨过隔离栅传输数据会产生延迟，而且会增加系统成本。传统上系统设计师求助于光耦合器解决方案，多年来，它是系统隔离的当然选择。最近十年来，基于磁耦合(变压器传输)方法的数字隔离器提供了一种可行且在很多时候更优越的替代方案;从系统角度考虑，它还具备系统设计师可能尚未认识到的优点。 本文将讨论这两种隔离解决方案，重点论述磁隔离对延迟时序性能的改善，以及由此给电机控制应用在系统层面带来的好处。



2 隔离方法

光耦合器利用光作为主要传输方法，如图1所示。 发送侧包括一个LED，高电平信号开启LED，低电平信号关闭LED。 接收侧利用光电检测器将接收到的光信号转换回电信号。 隔离由LED与光电检测器之间的塑封材料提供，但也可利用额外的隔离层(通常基于聚合物)予以增强。

光耦合器的最大缺点之一是：随着LED老化，其辐射特性会漂移，设计人员必须考虑这一额外问题。 LED退化导致时序性能随着时间和温度而漂移。因此，传播和上升/下降时间会受影响，使设计复杂化，尤其是考虑到本文后面要处理的问题。



光耦合器的性能扩展性也会受到影响。为了提高数据速率，必须克服光耦合器固有的寄生电容问题，该问题会导致功耗升高。寄生电容还会提供耦合机制，导致基于光耦合的隔离器的CMTI(共模瞬变抗扰度)性能劣于竞争对手。

磁隔离器(基于变压器)已大规模应用十多年，是光耦合器的有效替代方案。这类隔离器基于标准CMOS技术，采用磁耦合传输方案，隔离层由聚酰亚胺或二氧化硅构成，如图2所示。以低电流脉冲方式通过线圈传输，产生一个磁场，磁场穿过隔离栅，在隔离栅另一侧的第二线圈中感生一个电流。 由于采用标准CMOS结构，其在功耗和速度方面具有明显优势，而且不存在光耦合器相关的寿命偏差问题。 此外，由于基于变压器的隔离器中存在较低的寄生电容，它们的CMTI性能优于基于光耦合器的隔离器。
基于变压器的隔离器还允许使用常见处理模块(防止杂散输入信号)和高级传输编解码机制。 这样就可以实现双向数据传输，使用不同编码方案来优化功耗与传输速率的关系，以及后文提到的将重要信号更快速、更一致地传输到隔离栅另一端。



3 延迟特性比较

所有隔离器都有一个非常重要但常常被轻视的特性是其传播延迟。此特性衡量信号(可以是驱动信号或故障检测信号)沿任一方向跨过隔离栅所需的时间。 技术不同，传播延迟差别很大。 通常提供的是典型延迟值，但系统设计师特别关注最大延迟，它是设计电机控制系统需要考虑的重要特性。表1给出了光耦合器和磁隔离栅极驱动器的传播延迟和延迟偏斜值示例。