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TI 德州仪器

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跟随 TI 高电压技术专家,了解电容隔离技术的优势!

2018-12-04
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想了解高压隔离技术是如何工作的吗?

快来观看在TI的高压实验室拍摄的系列小视频。

今天的内容融汇了这三个小视频中的知识点

值得学习和收藏哦~


现在让我们跟随 TI 的高电压技术专家

了解TI 电容隔离技术是如何实现

业内最高的隔离等级和最长寿命周期的可靠性的



视频1:高电压隔离结构


德州仪器(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。


剖面原理图


在上面的剖面原理图中,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,如下图的原理图所示。信号传入、接受调制、穿过差分电容器对的隔离层、解调,然后传出。





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。下面,让我们来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,大家会看到什么。



这是一个宽体封装。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,每侧均有六个电容器。


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。测试高隔离电压能力这一性能的最佳测试之一是击穿电压测试,或者叫缓升至击穿电压测试。在该测试中,会从左侧至右侧施加高交流电压。该电压会以每秒1kVRMS的速率递增,直至发生击穿。在发生击穿时,记录下击穿电压。在大量器件上重复该过程。通过对这些器件的统计分析,我们可以评估该技术相对于额定值的表现效果。



在上面的直方图中,是我们对来自113个批次的1,130个器件进行缓升至击穿电压测试所得到的数据。您会看到,平均击穿电压高于14kVRMS。这要比额定隔离电压5.7kVRMS高得多。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,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。


视频2:可靠性测试


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。在下图中,您可以看到,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。



通过各个电压下的威布尔统计,我们可以测量平均寿命,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。另外一种方式是寿命裕度。最后一种方式是查看失败率


我们选择二氧化硅作为我们的电介质,是因为它具有非常出色的可靠性。在下表中,我们对隔离产品中有时会使用的一些电介质进行了比较。



视频3: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。


在TI,我们会使用一种方法来统计分析浪涌特征数据,如下图中所示。



该图表明,浪涌测试失败率是电压的函数。我们所使用的方式是,在不同的电压下测试一定数量的器件,记录失败的数量。此测试使用了具有相同极性的50个脉冲。我们将其称为单极性浪涌测试。我们使用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,我们称之为双极性测试。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。当我们切换极性时,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。图中的橙色数据便是双极性数据,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。我们使用统计测试方法,通过实质性的裕度证明了这些产品的高电压隔离质量。


更多精彩视频内容,当然看过才知道。对TI高电压实验室好奇的小伙伴,快动动手指,点击文末链接观看视频吧!


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