隔离的抗噪性

王存航

在电机驱动系统中，隔离还提供了一个分离噪声源的机会，方法是以电流方式将噪声从功率开关电路和控制电路之中隔离开来。以下各项之间有安全隔离需求：高压总线、线路电压和用户界面，以同时保护人、保护其他设备。还需要在功能上使高端开关和低端开关与控制电路相隔离。隔离元件必须能提供必要的隔离，同时也需对嘈杂环境不敏感。
衡量隔离器分离地域之间高速噪声的能力的指标一般称为共模瞬变抗扰度(CMTI)。CMTI旨在衡量一个隔离器在隔离器数据通信不被噪声打断的情况下，对隔离栅中的电压噪声的抑制能力。其单位是kV/μs瞬变。



图2. 光耦合器内部结构。



图3. 基于变压器的数字隔离器的结构。


电压瞬变噪声跨越隔离栅的路径一般是寄生电容跨过隔离器中的隔离栅。光耦合器的CMTI一般较差，为15 kV/μs。一些现代数字隔离器采用电容耦合数据隔离技术，其信号和共模噪声使用同一路径。基于变压器的隔离器(如ADI的iCoupler数字隔离器)的信号路径不同于噪声路径，其CMTI的值一般为50 kV/μs或以上。

隔离材料和可靠性

数字隔离器采用晶圆CMOS工艺制造，仅限于常用的晶圆材料。非标准材料会使生产复杂化，导致可制造性变差且成本提高。常用的绝缘材料包括聚合物(如聚酰亚胺PI，它可以旋涂成薄膜)和二氧化硅(SiO2)。二者均具有众所周知的绝缘特性，并且已经在标准半导体工艺中使用多年。聚合物是许多光耦合器的基础，作为高压绝缘体具有悠久的历史。

安全标准通常规定1分钟耐压额定值(典型值2.5 kV rms至5 kV rms)和工作电压(典型值125 V rms至400 V rms)。某些标准也会规定更短的持续时间、电压浪涌(如10 kV峰值并持续50 μs)作为增强绝缘认证的一部分要求。聚合物/聚酰亚胺隔离器可提供最好的隔离特性(见表1)。



表1. 隔离材料性能比较