数字电容隔离器的磁场抗扰度

2012年03月28日17:36:02 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

作者：Thomas Kugelstadt，德州仪器 (TI) 高级应用工程师

数字电容隔离器的应用环境通常包括一些大型电动马达、发电机以及其他产生强电磁场的设备。暴露在这些磁场中，可引起潜在的数据损坏问题，因为电势（EMF，即这些磁场形成的电压）会干扰数据信号传输。由于存在这种潜在威胁，因此许多数字隔离器用户都要求隔离器具备高磁场抗扰度 (MFI)。许多数字隔离器技术都声称具有高 MFI，但电容隔离器却因其设计和内部结构拥有几乎无穷大的　MFI。本文将对其设计进行详细的介绍。

基本物理定则

诸如电动机的电源线等带电导体，其周围便是一个由流经它的电流形成的磁场。应用右手定则（请参见图 1），我们很容易便可以确定该磁场的方向。该定则的内容如下：用右手握住导体，然后拇指指向电流的方向，这时环绕导体的手指便指向磁场的方向。因此，磁通线的平面始终与电流垂直。

图 1 显示了 DC 电流的磁通密度 B。就 AC 电流而言，将右手定则用于两个方向，磁场和 AC 电流都随同一个频率 f 而变化：B(f) ~ I(f)。磁场（或者更加精确的说法是磁通密度及其相应磁场强度）随导体中心轴距离的增加而减弱。这些关系可以表示为：

以及

其中，B 为以第平方米伏秒 (V•s/m2) 表示的磁通密度，μ0 为自由空间中的磁导率（计算方法为 4π × 10–7 V•s/A•m），I 为以安培为单位的电流，r 为以米为单位的导体距离，而 H 为以安培每米 (A/m) 为单位的磁场强度。

图 1 右手定则

磁场线穿过附近导体环路时，它们会产生一个 EMF，其强度大小取决于环路面积和通量密度及磁场频率：

EMF 为以伏特为单位的电势，f 为磁场频率，而 A 为以平方米 (m2) 为单位的环路面积。

所有隔离器都有一定形状或者形式的导电环路，以让磁场线穿过并产生 EMF。如果强度足够大，则这种叠加到信号电压上的 EMF 就会导致错误数据传输。实际上，一些隔离技术对电磁干扰非常敏感。为了理解电容隔离器为什么不受磁场的影响，我们需要对其内部结构进行研究。

电容隔离器的结构

电容隔离器由两块硅芯片—一个发送器和一个接收机组成（请参见图 2）。数据传输在由两个电容构成的差动隔离层之间进行，在每个电容的二氧化硅 (SiO2) 电介质两端都有一块铜顶片和一个导电硅底片。发送器芯片的驱动器输出通过一些接合线连接到接收机芯片上隔离电容的顶片。通过将电容的底片连接接收机输入构成了一个导电环路。图 3 显示了隔离层的等效电路结构图，并标示出了金接合线之间的环路区域。很明显，穿过该环路的磁场将会产生一个 EMF，其表示下面 RC 网络的输入电压噪声 Vn1。我们常常碰到的第二种差动噪声部分 Vn2，其产生原因是共模噪声到差动噪声的转换。两个噪声分量共同组成了综合噪声 Vn。如果只考虑 EMF 的影响，则可以保守地将 Vn 一分为二：