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从TI隔离器产品,看汽车和工业市场新需求

2018-11-06来源: EEWORLD关键字:TI  德州仪器  隔离器  CAN隔离器  隔离放大器

近日,德州仪器(TI)宣布推出ISO224隔离放大器和ISO1042隔离式CAN收发器,为工业和汽车应用提供更可靠的保证。借新品发布之际,德州仪器隔离器产品线产品市场工程师Neel Seshan和德州仪器半导体事业部中国区汽车电子技术应用经理师英解读了TI在隔离器市场的布局。


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德州仪器隔离器产品线产品市场工程师Neel Seshan


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德州仪器半导体事业部中国区汽车电子技术应用经理师英


为什么需要隔离?

Seshan表示,在电子系统信号或功率传输时,为了确保传输的信号准确,剔除掉交流和噪声等分量,以及保护操作人员及低压控制端的电路安全,必须引入隔离技术。

Seshan表示,隔离技术的发展趋势共有三方面,第一是随着系统的功率越来越大,为了减少导线上的损耗,就需要传输电压越来越高,为了维持系统稳定,隔离变得越来越重要;第二则是需要支持恶劣的工作环境;第三则是需要更小的封装尺寸。

谈及隔离器件的典型应用场景,Seshan介绍道,包括工厂自动化、电网基础设施、电机驱动、楼宇自动化、工业运输和汽车等都需要隔离。比如工厂自动化中PLC的工作信号和通信传输电压都是24V,而系统核心电子元件基本都为5V,这时候需要隔离器件以保证24V-5V的安全;电网上则是更高的高压与低压传输;对于电机驱动,控制板和马达距离往往会很远,需要较长的通信电缆连接,电缆会和参考电平地线形成回路,从而带来噪音,需要通过隔离切断地线回路,从而消除噪声干扰;对于楼宇自动化、工业运输等方面,也都需要总线隔离技术。

对于汽车,Seshan表示,以前汽车都是采用传统的12V电路,而随着新能源技术的兴起,出现了48V、400V甚至800V的电压,为了通信可靠,驾驶安全,也对隔离技术有了越来越多的需求。

谈谈TI的高可靠隔离技术

TI官网上有高电压隔离技术专家Tom Bonifield对TI隔离器的专门讲解。

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德州仪器高电压隔离技术专家Tom Bonifield


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如图所示TI的增强型隔离技术是通过将厚二氧化硅电容器组合串联实现的。每个通道均在两个裸片上采用了高电压隔离电容器。在剖面原理图中,您可以看到,左右两侧各有一个裸片,且它们都有一个高电压电容器,而且它们是串联的。隔离电容器组合厚度大于21微米。数据在传输过程中会穿过该隔离层。


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以ISO78xx为例,信号通过传入、接受调制、穿过差分电容器、隔离层、解调,然后传出。目前TI产品数字隔离器、隔离链路、模数转换器、隔离放大器和隔离栅极驱动器中均使用了这一隔离通信路径。此结构可实现非常高的隔离能力,包括12.8kV额定浪涌电压、8kV峰值瞬态过压和1.5kVRMS工作电压。

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如果深入了解一下该结构,我们将会从上层开始。在16引脚SOIC封装的X射线图像中,呈现一个宽体封装,该封装具有8毫米的爬电距离和间隙。在封装内部,两个裸片垫之间有一个较大的内部间隙,该间隙超过了600微米。每个裸片都有高电压电容器。这是一个三通道隔离器,所以每侧均有六个电容器。


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深入了解一下隔离电容器。增强型隔离层由两个高电压电容器组成,这两个电容器分别位于两个彼此串联的裸片上。每个电容器均为厚二氧化硅电容器电介质。该电解质由多层组成。每一层都是集成电路的典型构建方式,行业内每年都会有数十亿的集成电路采用该构建方式。每一层都是使用化学气相沉积工艺沉积的二氧化硅。化学气相沉积是用于形成二氧化硅薄膜的原子分子沉积工艺。在其它层上添加第二层之前,会使用化学机械抛光平面化工艺对第一层进行抛光,从而使两层之间能够较好的粘合。最终可得到非常厚的二氧化硅电容器,总体厚度超过10.5微米,从而实现高隔离电压能力。


对隔离器的高可靠性测试方法一览


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TI的隔离器性能究竟如何呢?Bonifield介绍了TI的测试方法。首先,是击穿电压测试,该测试,会以每秒1kVRMS的速率递增施加高交流电压,直至发生击穿。在发生击穿时,记录下击穿电压。通过在大量器件上重复该过程并对结果进行统计分析,可以评估该技术相对于额定值的表现效果。如直方图所示,该结果代表了113个批次的1130个器件进行击穿电压测试,结果显示平均击穿电压高于14kVRMS,这要比额定隔离电压5.7kVRMS高得多。同时,一种较好的用于判断该性能高出了多少的方法是CPK指标。CPK为1时表示该数据高于隔离要求3sigma,CPK为2表示该数据高于隔离额定值6sigma。您可以看到,该数据集中具有大于6的CPK。该CPK是在生产测试条件下测得的,比隔离额定值高20%。该数据表明,器件具有非常高的电压隔离能力。

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此图主要讨论工作电压的可靠性。主要的隔离电气寿命测试是时间依赖型电介质击穿测试,简称TDDB。TDDB是用于确定作为电压的函数的电介质寿命的标准方法。TDDB是一种加速寿命测试。如图,用于测试的电压为蓝点,这些电压为5,000、6,000和7,000VRMS,远高于1,500VRMS的工作电压。在各个测试电压下,对所有器件进行威布尔统计。器件总数达到了IEC和VDE的认证要求,即要求器件数超过96个,且是来自超过3个批次。通过各个电压下的威布尔统计,可以测量平均寿命,该值称为t63,也就是63%的器件都测试失败的点。而器件的失败率仍低于1PPM时,寿命中的点则组成了图中左侧的虚线。然后将多个电压数据拟合成一个模型。该模型是一个TDB标准模型,其中失败时间与所施加的电场,或者本例中所施加的电压,成指数关系。由于是指数关系,在该图中,您可以看到,y轴上的寿命是一个对数标度,它的跨度极大,从图底部的10秒,一直到图顶部的300年。使用此数据的方法是将1PPM线与隔离额定值进行比较。您可以在该图的左上角看到二者的比较。您可以通过三种方式来比较实际数据相对于工作电压的裕度。一种方式是电压裕度。请查看对应于40年寿命的直线,然后,沿该直线水平向右,您可以看到,1PPM线相较于1又1/2kV的隔离额定值具有超过1kVRMS的裕度。另外一种方式是寿命裕度。请查看1,500VRMS对应的直线,您可以看到,1PPM线远远超出了40年。事实上,它超出了图表的顶部,这意味着它超出了300年。最后一种方式是查看失败率。T63是失败发生的地方。1PPM是开始出现1PPM失败率的地方。您可以看到,这些数据远低于1PPM。除了工作电压外,这些数据还可用于评估高于隔离额定值本身Viotm的裕度。Viotm或Viso为额定电压,器件需要能够在额定电压下坚持60秒。您可以在60秒、5.7kVRMS位置看到曲线上的Viotm标志。从该点向上看,您可以看到,实际数据相较于Viotm隔离的要求值高出了几个数量级。这一TDDB数据要求现已成为VDE0884-11标准的一部分。


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除了TDDB,TI还使用方法B1和方法A这两种隔离标准测试进行测试。方法B1和方法A测试均由两部分组成。第一个部分是隔离测试,即通过高电压测试筛选出具有不合格电容器的器件。测试的第二部分是局部放电测试。在局部放电测试中,遵循相同的5pCoulomb测试标准,这是所有隔离技术都必须遵循的标准。如果使用方法A,在鉴定测试中,隔离应力为在VIOTM电压下持续60秒。在局部放电测试中,则是在1.6倍VIORM电压,也就是高于工作电压60%的情况下持续10秒。外部标准IEC和VDE以及需要在样本基础上验证VIOTM的季度监测均需要使用方法A。方法B1也用于质量鉴定,但它同时还用作生产测试。对于方法B1,隔离应力为在高于VIOTM20%的情况下持续1秒,局部放电测试则是在1.875倍VIORM电压下持续1秒。外部标准IEC和VDE的要求是,所有增强型隔离器件都必须在生产环节进行测试。总之,TI的增强型隔离产品系列具有超出增强型隔离要求的高电压能力。使用统计测试方法,通过实质性的裕度证明了这些产品的高电压隔离质量。高电压隔离技术的可靠性则通过时间依赖型电介质击穿测试进行了证明,该测试是证明器件在使用情况下的寿命的行业标准方法。


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接下来的测试是浪涌测试。浪涌测试用于验证器件在短时间内对非常高的电压电平的抵抗能力,例如抗雷击能力。浪涌峰值电压测试是必须的,它是外部标准IEC61000-4-5以及VDE0884-10和11的一部分。浪涌测试采用抽样测试的方式。它使用图中所示的标准浪涌波形。该浪涌波形具有1.2微秒的上升时间和50微秒的下降时间。每个器件都需要承受50个连续的浪涌脉冲。然后,相应器件测试通过或失败。浪涌过后,会使用RIO对该测试结果进行确认,RIO是在500V电压下测得的从左侧到右侧的电阻。该值必须大于1千兆欧姆。而且,在5.7kVRMS隔离额定值条件下测试60秒钟所得到的方法A漏电流必须小于30微安。在TI,会使用一种方法来统计分析浪涌特征数据,如该图中所示。该图表明,浪涌测试失败率是电压的函数。所使用的方式是,在不同的电压下测试一定数量的器件,记录失败的数量。

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在该图中,您可以看到,12.8kV时的失败率为零。且直至20kV时失败率都为零。然后,在21kV时,失败率超过了60%。22kV时,失败率为100%。此测试使用了具有相同极性的50个脉冲。将其称为单极性浪涌测试。使用50个正脉冲,或者50个负脉冲进行测试。单极性测试代表对单一浪涌事件的抵抗力。但是,还有另外一种测试方法,称之为双极性测试。双极性测试是由于磁滞效果造成的最坏情况浪涌测试。在此测试中,每个器件都要先后承受具有相反极性的25个脉冲。当切换极性时,器件中仍具有前25个脉冲所造成的部分电荷,这会给隔离层带来更大的压力。这种测试代表对更加复杂的浪涌事件的抵抗力。现在,VDE0884-10和11都要求进行该测试。此类数据是图中的橙色数据,这便是双极性数据,通过这类数据,您可以看到,12kV时失败率为零,直至15kV失败率仍未零,然后,电压更大之后便出现了失败的情况,到22kV时失败率变成百分之百。在一些电压下,所有隔离层都会测试失败。这类测试有助于您了解您的技术相对于要求值有多大的裕度。在本例中,您可以看到可确保的电压是12.8kV,比8kV的浪涌隔离额定值高60%。该数据表明,器件相对于要求的隔离电压具有非常高的裕度。

总之,TI使用了各种缜密的科学方法,证明了其增强型隔离产品系列的高电压隔离质量。[page]
TI增强型隔离产品为什么这么牛?

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Seshan表示,目前市场上的隔离技术有几种,包括光耦、变压器隔离或者聚合物隔离。但如图所示,二氧化硅是拥有最高介电常数的聚合物,同时二氧化硅的寿命,稳定性,抗温湿环境等方面,均好于其他所有竞争者。

目前TI的隔离技术已经发展到了第三代,拥有更高的隔离电压特性、更长的使用寿命和更快的速度。

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如图所示,利用TI独特的二氧化硅隔离技术开发的产品,已包括数字隔离器、数字隔离电源、隔离接口、隔离栅极驱动器、隔离ADC和放大器等丰富的产品线。

Seshan介绍道,TI在接口电路应用中具有广泛的产品组合,同时结合TI在隔离器上的特长,利用TI Building Block的概念,就像垒房子一样,通过调研市场需求,设计出不同参数的隔离式电源,隔离式接口,隔离式ADC和放大器等各种适合市场的通用型集成隔离器。同时针对有特殊客户需求,还可以支持传统的隔离器+收发器或其他标准模块的方式实现。

隔离放大器ISO224

TI推出的ISO224是目前性能最高的隔离放大器,比现有产品隔离电压高出50%,同时是市场上支持±12V信号时达到精度最高,第三则是集成了诊断功能,让电子系统设计尤其是工业和汽车应用更安全。


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如图所示,ISO224的TDDB测试显示,该期间1.5kV时寿命测试为135年。第二个特点是具有共模瞬态噪声免疫能力,具有80kV/μs,可抵御嘈杂的工作环境。

为了给客户提供多种选择,ISO224推出了两个等级的产品。


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数据性能指标如图,具有1.25MΩ的输入电阻,使得增益误差影响较小;具有低偏移和低增益误差;拥有更高的工作温度范围,为复杂的工厂环境提供强有力保证;输出带宽高达275kHz,实现更快的系统响应。


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如参考设计所示,ISO224的设计十分简单。首先,输出可直接连接具有5V输入的ADC而无需外部元件,减少总体面积和成本;其次电源设计采用单一、单极性集成5V供电,不需要±电压设计,可简化设计并具备系统诊断能力。根据TI的数据,相比较传统隔离放大系统,可以缩减60%以上占用空间。

ISO1042 业界最小的增强型隔离CAN FD收发器

随着汽车电子和工业对于速率的要求不断提高,CAN FD越来越多被应用,因此TI也推出了集成CAN FD收发器的隔离器,以便更好地满足市场对于高集成度的需求,目前ISO1042拥有两个版本,分别为工业和汽车应用。

ISO1042是业界最小的CAN FD收发器,同时也拥有最高的工作电压,支持高达5Mbps的传输速率,满足CAN FD的标准,具有最低EMC和最高抑制性能同时具有抗最高70V总线故障保护。具有215 ns(最大值)的短环路延迟可提高通信处理能力。


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如图所示,隔离器的寿命TDDB预测为270年。


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如EMC测试图,在各频率均符合IEC TS62228可靠性测试标准,而在抗干扰测试中,同样具有共模瞬态干扰的抑制能力,达到85kV/μs,ESD则通过±8000V测试。

Seshan强调道,由于CAN FD总线由CANH和CANL两路,有可能发生短路,ISO1042具有高达70V的总线故障保护工能,可广泛应用于12V、24V、48V等电源系统。


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Seshan介绍道,在即将到来的德国慕尼黑国际电子展中,TI将演示30米电缆的隔离式CAN FD节点互操作性,该演示DEMO继承了三种不同的隔离CAN通信方式,包括分立、集成电源等,最终测试结果显示误码率为0,证明了TI隔离通信的高可靠性。

目前,TI官网上已经放出关于全新隔离器的资料,包括参考设计、数据表、应用介绍、评估模块等等众多资料。

关键字:TI  德州仪器  隔离器  CAN隔离器  隔离放大器

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2018/ic-news110611669.html
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