德州仪器解读强化工业和汽车系统可靠性的电容隔离技术

2018年11月05日12:07:08 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

日前，德州仪器（TI）举办2018全新隔离解决方案强化系统运行媒体说明会，会上，德州仪器隔离器产品线产品市场工程师 Neel Seshan 先生，半导体事业部中国区汽车电子技术应用经理师英先生介绍了两款较新发布的隔离器产品——ISO224 与 ISO1042。较新的隔离解决方案系列采用电容隔离技术，将创新技术优势投入市场应用，从而加速工业自动化和汽车系统的可靠性。

隔离需求及市场趋势

作为嵌入式处理器和模拟半导体的行业领导者，德州仪器致力于通过隔离解决方案实现强大而可靠的系统运行，其电容隔离技术具有业内较高的隔离等级和较长的寿命周期可靠性。

Neel Seshan解释说，隔离是系统进步的需求，包括保证高压系统中的稳定、在恶劣环境下可靠和小尺寸封装和系统尺寸。他表示，众所周知，在传输功率时，功率是电压和电流的乘积，为了传输更高功率有两个办法，一是提高电压，二是增大电流。增大电流对于导线有更高的要求，一般越大的电流需要越小的传输电阻，这种情况之下，只能加粗铜线的截面积，整合系统的成本就会明显上升。考虑到传输更大功率，提高电压是在电气或成本上比较容易实现的方法，因此为了低压侧的安全，就需要加入隔离措施。需要隔离的系统包括工厂自动化、电网基础设施、电机驱动、楼宇自动化、工业运输和汽车 (OBC, BMS) 。

隔离的第一个例子是，在工厂自动化领域现场可编程控制器PLC是很典型的设备，在PLC操作场景之下，往往信号和通信的传输采用典型的24V系统，而核心的电子元器件一般是在5V电压下工作。在24V和5V之间通信需要放入一个隔离器件，来实现不同电平水平之间的通信。

第二个例子是电网基础设施应用场景里常见的电压很高的设备，比如马达在600多伏的电压水平工作，控制板经常会放在离马达非常远的地方，中间有很长的通讯和控制电缆把两端连接起来。马达和控制板、驱动板之间的线缆和参考电平形成地线回路，会产生很大噪声干扰通信的可靠性。这时需要隔离器件把两端隔离开，切断地线回路，把现场噪声干扰降低到较小。

其他应用场景的例子包括智能化建筑、办公室自动化应用场景里的电梯，在按电梯的呼叫板和电梯主控之间也会有很长的电缆来通信，这种情况之下同样需要隔离，电梯通信典型运行方式是用CAN总线，为了消除现场噪声会采用CAN+隔离或隔离+CAN来实现高可靠性，需要用到隔离器件。

工业交通，一般指地铁、高铁、轻轨这些非汽车交通设施或交通工具。这种场景下，车厢内部，车厢和车厢之间也有很多通讯，可能是I2C、RS-485或CAN总线，为了保证高可靠性，同样需要隔离器件。

汽车领域中，传统汽车都是12V的电气系统，随着新能源车这些年快速增长，在新能源汽车里会额外引入两种更高的电压48V和400V，未来可能会有800V的电压出现。在12V、48V、400V子系统之间实现可靠性通信也要加入隔离。

总之，隔离是阻止系统两个部分之间的直流和不需要的交流的一种手段，同时仍然能够实现这两个部分之间的数据和功率传输。隔离可用于保护操作人员和低压电路免受高压影响，处理通信子系统之间的接地电位差，以及提高抗噪能力。

德州仪器的电容隔离技术

Neel Seshan说，现在市场上比较常见的隔离技术有很多种，较常见的有光电隔离，解决大家所熟知的光耦，二是变压器隔离，也是很常见的隔离技术。TI采用的技术是电容性的隔离，电容性的隔离里，所使用的核心材料是二氧化硅。之所以采用这个技术，是因为二氧化硅本身具有较高的介电强度；第二个数值是光电隔离器件所使用材料的介电强度是20Vrms/μm；倒数第二行是变压器所使用的材料介电强度300Vrms/μm；较后一行是我们这个技术使用的技术材料二氧化硅的介电强度500Vrms/μm。

德州仪器在光电隔离和变压器隔离里所使用的材料是有机材料，有机材料对于外界环境因素变化有敏感性，较常见的是湿度和温度。当湿度和温度变化的时候，它的介电强度会随之发生变化，所以，在外界环境变化的时候有机材料的性能不如TI使用的技术稳定。二氧化硅就是玻璃，对于温度和湿度的变化影响非常小，非常稳定，这也是TI使用这个技术的主要原因。

德州仪器隔离技术将给电子技术系统设计带来以下好处：一是可靠的电机隔离可以使电子系统有更长的使用寿命；二是在声环境下的高可靠性运作，也是该技术的主要优势之一，在非常嘈杂的环境之下可以大幅提升性能的隔离中继；三是在器件很多的情况下，当其他电子元器件集成了刚才所谈的隔离技术之后，就会有更多功能。这就是ISO224和ISO1042集成隔离技术的集成功能芯片。

创新产品

第一个新产品是ISO224，作为业内较高精度的增强型隔离放大器，它具有高的可靠性、较强的性能以及更为小巧的尺寸等出色优势，可广泛应用于工厂自动化与控制、电网基础设施、铁路运输及电机驱动等工业领域。

ISO224 是一款精密的隔离放大器，其输出与输入电路由抗电磁干扰性能极强的隔离栅隔开。该隔离栅经认证，可提供高达 5kV_RMS 的增强型电隔离，使用寿命极长，功率耗散较低。与隔离式电源结合使用时，该器件可将以不同共模电压电平运行的系统的各器件隔开，并防止较低电压器件损坏。

ISO224 的输入专门针对精确检测 ±10V 信号进行了优化，该信号在工业应用当中十分普遍。该器件由高侧单电源供电运行。此独有的特性可简化隔离式电源的设计，降低系统成本。集成的高侧电源电压检测功能可简化系统级诊断。ISO224 的 ±4V 输出可支持使用更低成本的模数转换器 (ADC)。输出的差分结构具有更强的抗噪性能。

另一个新产品是ISO1042，它是一款具有 70V 总线故障保护功能和灵活数据速率的隔离式 CAN FD 收发器，业内较强的抗干扰性和较低的辐射使它在工业和汽车领域大有可为，不仅支持 ISO 的应用领域，还涵盖了楼宇自动化和混合动力汽车、电动汽车等应用。

据介绍，两款新型隔离式控制器局域网（CAN）灵活数据速率（FD）收发器将业内更高总线故障保护、更高共模瞬变抗扰度（CMTI）和更低电磁辐射于一身，尺寸缩小35%。ISO1042和ISO1042-Q1具有比同类产品更高的工作电压、比传统CAN标准更快的通信速度，可帮助工程师更好地保护低压电路，并提高工业应用（如电网基础设施、电机驱动和楼宇自动化）及混合动力汽车和纯电动汽车（HEV/EV）的通信吞吐量。

TI ISO1042 和ISO1042-Q1隔离式CAN FD收发器的主要特性和优势包括：更高工作电压，ISO1042和ISO1042-Q1的工作电压为1,000Vrms（提高了18%），耐受电压为5,000Vrms，具有更长的使用寿命，从而有效提高了系统可靠性；增强设备保护，ISO1042和ISO1042-Q1具有±70V的高总线故障保护，对DC短路裕度提高了20%，可在发生高压短路时保护12V、24V和48V电池或电源系统。

此外，TI ISO1042 和ISO1042-Q1具有业内领先的抗扰度和辐射、更强的抗电磁干扰性能，其共模瞬变抗扰度（CMTI）为85kV/us（较低值），具有+/-8kV的高ESD保护性能，采用国际电工委员会（IEC）测试标准，可帮助工程师设计出能够在嘈杂环境下保持正常运行的电子设备；更低EMC辐射，ISO1042和ISO1042-Q1 具有业内更低的电磁兼容性（EMC）辐射，从而有效保证系统信号的完整性。ISO1042-Q1 符合汽车行业标准（IEC TS62228），可实现稳健的EMC。

德州仪器解读强化工业和汽车系统可靠性的电容隔离技术

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