光耦合器_CMOS 數(shù)字隔離器的安全認(rèn)證及特性介紹

時間：2022-04-27作者：深圳市騰恩科技有限公司瀏覽：290

**安全標(biāo)準(zhǔn)提供了測試方法和指南，以確保終端設(shè)備免受電擊、機械危險、火災(zāi)和電磁干擾的影響。下表里按地理位置總結(jié)了光耦合器和其他隔離器（包括CMOS數(shù)字隔離器）的組件級**安全標(biāo)準(zhǔn)。



隔離器分類包括“基本”和“加強”。基本隔離僅用于提供單一級別的電擊保護，不能視為故障保護。雖然用戶可以訪問這些設(shè)備，但它們必須包含在系統(tǒng)中。基本隔離裝置在2.5 kVArms下進行**安全測試，測試時間為1分鐘，并且通常具有3.2 mm的較小爬電。強化隔離提供了兩個級別的保護，使這些設(shè)備故障安全，并允許用戶訪問。這些設(shè)備在5 kVARMS下進行**安全測試，測試時間為1分鐘，并且通常提供6.4 mm的較小爬電。請注意，根據(jù)系統(tǒng)規(guī)范和目標(biāo)環(huán)境操作條件（污染程度），不同系統(tǒng)的準(zhǔn)確爬電距離和額定隔離電壓要求不同。
認(rèn)證測試包括使隔離器組件承受測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各種應(yīng)力，同時監(jiān)測被測設(shè)備是否存在可能危及安全的故障。



上表Table 2里，摘自IEC60950規(guī)定的電氣強度試驗。所示測試電壓假設(shè)均勻連接的封裝表面，如僅模塑化合物。然而，在光耦合器和CMOS數(shù)字隔離器的隔離柵中使用了不同的材料。
例如，CMOS數(shù)字隔離器使用二氧化硅作為初級絕緣體，塑料?；衔镒鳛榇渭壗^緣體。這種類型的非均質(zhì)連接結(jié)構(gòu)稱為“水泥接頭”，要求認(rèn)證機構(gòu)通過將表2的試驗電壓增加1.6倍來驗證隔離器。例如，支持峰值或直流工作電壓為354 V的加固部件必須耐受4800 VACRMS介電耐受電位1分鐘，才能通過機構(gòu)認(rèn)證的額定電壓為4800 VACRMS。此外，制造商對該隔離器的生產(chǎn)測試必須包括在120%額定值下測試每個部件1秒。因此，上述354 V隔離器將在5760 VACRMS（4800 Vrms x 1.2）下進行1秒的生產(chǎn)測試，以確保其完整性。
操作功率
至少，光耦合器需要電流來偏置LED，并在輸出側(cè)施加某種形式的偏置。根據(jù)光耦的類型，總輸入加輸出電流變化很大。當(dāng)正向偏置時，光耦LED為低阻抗，器件功耗隨著LED正向電流的增加而增加，其范圍從1 mA到15 mA以上。在某些情況下，LED可能需要外部驅(qū)動器，從而進一步降低系統(tǒng)效率，同時增加BOM復(fù)雜性和成本。根據(jù)其結(jié)構(gòu)，光耦輸出阻抗可以低也可以高。大多數(shù)低成本的光耦都有一個簡單的晶體管輸出，當(dāng)LED正向電流為零時，該輸出具有高阻抗，而當(dāng)LED正向電流處于其*的工作范圍時，該輸出具有相對較低的阻抗。其他（通常速度較高）光耦具有有源光耦合器和需要外部偏置電壓的輸出驅(qū)動器。此類設(shè)備的輸出阻抗較低，但總工作電流增加，其范圍從15 mA到40 mA以上。
與光耦相比，CMOS數(shù)字隔離器提供了較高的工作效率，在VDD=5.0 V和15 pF負(fù)載下，以10 Mbps的速度每通道消耗約1.7 mA。其高阻抗輸入緩沖器僅消耗微安的泄漏電流，而其50? CMOS輸出驅(qū)動器可以源或匯4 mA。CMOS數(shù)字隔離器的大部分功率節(jié)省源于使用射頻載波而不是光，從而消除了耗電的LED。通過隔離電容器結(jié)構(gòu)將隔離路徑中的損耗降至較低，該結(jié)構(gòu)針對穩(wěn)健的數(shù)據(jù)傳輸和較小的功率損耗進行了優(yōu)化。CMOS數(shù)字隔離器的功耗保持相對平坦，基本上**光耦。供電電流增加的一值得注意的因素是數(shù)據(jù)速率的增加，然而，如圖6所示，即使這種增加也相對較淺。



鑒于工業(yè)設(shè)備的典型使用壽命，長期可靠性和一致性性能是系統(tǒng)設(shè)計師較關(guān)心的問題。光耦定時參數(shù)（例如傳播延遲和脈沖寬度失真）可隨三個變量變化：LED磨損、LED電流和工作溫度。
其中一個關(guān)鍵的光耦磨損機制是LED光輸出（LOP），這是一種基于材料的現(xiàn)象，會導(dǎo)致LED隨著時間的推移失去亮度。較低的**會降低光電探測器看到的信號，對光耦定時和輸出阻抗特性產(chǎn)生負(fù)面影響。圖7a和7b顯示了制造商基于由磷化砷化鎵（GaAsP）和砷化鋁（AlGaAs）制成的LED在10000小時內(nèi)的歸一化光輸出的LOP數(shù)據(jù)。隨著溫度的升高和LED電流的增加，光輸出退化通常會惡化。在較壞的情況下，光輸出可能**設(shè)備正常運行所需的較小值。




如圖所示，LOP可將標(biāo)稱光輸出改變高達20%（圖a），從而導(dǎo)致工作特性的顯著變化。此外，由于LOP退化率部分與LED電流有關(guān)，因此系統(tǒng)設(shè)計師在選擇LED正向電流工作范圍時必須考慮LOP的影響。例如，較低的LED驅(qū)動電流可以換取較長的設(shè)備使用壽命，但共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）較低。相反，較高的LED驅(qū)動電流可用于改善CMTI，但縮短光耦使用壽命。Silicon Labs的CMOS數(shù)字隔離器在額定工作條件下使用時不會受到任何磨損機制的影響。
定時特性
定時規(guī)范在數(shù)字隔離器應(yīng)用中非常重要，以確保系統(tǒng)正常、一致地運行。圖8比較了10 Mbps CMOS數(shù)字隔離器與競爭性數(shù)字光耦的傳播延遲特性。使用不同的LED電流測量傳播延遲，包括有無“峰值”電容器。
注：在這種情況下，峰值電容器與LED限流電阻器并聯(lián)20 pF。該電容器在開啟和關(guān)閉期間瞬時增加LED電流，以實現(xiàn)較快的光耦響應(yīng)。
共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）
共模瞬態(tài)是隔離應(yīng)用中數(shù)據(jù)損壞的主要原因之一。CMTI通常以千伏/微秒為單位測量，指隔離器抑制隔離器輸入和輸出之間噪聲的能力。圖9a顯示了受到共模噪聲VCM影響的光耦。當(dāng)VCM因快速瞬變而改變時，iLP和iLN會幫助或反對LED電流，導(dǎo)致LED發(fā)光的瞬間變化，通常盡管制造商添加了探測器屏蔽以減少寄生電容輸入/輸出耦合。
 （圖片名稱）Optocoupler Equivalent Circuit 
接地之間的光耦寄生耦合通常在十分之一微微法拉的范圍內(nèi)（例如，Avago HCPL-0703為0.6 pF），這大大降低了CMTI。使用圖10所示的“準(zhǔn)差分”驅(qū)動可以獲得一定程度的CMTI改善，其中LED限流電阻器放置在LED的兩側(cè)，每個電阻的值為圖9中RLED的一半。
如圖10的光耦時序圖所示，光耦右側(cè)接地（相對于左側(cè)接地）上的正向接地瞬態(tài)會導(dǎo)致LED電流瞬時增加。根據(jù)瞬態(tài)的大小和光耦中存在的寄生耦合量，該LED“故障”可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤。例如，0.6 pF耦合可能足以在LED應(yīng)保持關(guān)閉時錯誤地瞬時打開LED。同樣，負(fù)向瞬態(tài)可能會在LED保持點亮?xí)r錯誤地關(guān)閉LED。光耦制造商發(fā)布的應(yīng)用手冊中詳細討論了光耦固有的低CMTI，其中一些建議在高共模環(huán)境下工作時，在開啟狀態(tài)下過度驅(qū)動LED，在關(guān)閉狀態(tài)下反向偏置LED。雖然這種技術(shù)是有效的，但它增加了LED的功耗，并加速了LOP造成的損耗。在任何情況下，寄生耦合都是不可避免的，并且會降低光耦CMTI的性能。
圖10的底圖顯示了CMOS數(shù)字隔離器及其共模電壓VCM和100毫法拉輸入輸出電容（CCM），其比光耦小六倍。其全差分隔離路徑可抑制共模電壓，接收器的高選擇性可抑制除載波頻率以外的所有頻率，從而獲得較大的抗噪性。由于這些原因，CMOS數(shù)字隔離器的典型CMTI為60 kV/μs，大大**大多數(shù)使用外部組件改善CMTI的光耦。
電磁干擾（EMI）
EMI指干擾或以其他方式干擾授權(quán)電氣設(shè)備有效性能的任何電磁干擾。由于涉及隔離器，輻射和傳導(dǎo)EMI通常是高頻開關(guān)電路（及其諧波）的產(chǎn)物，這些電路耦合到其他電路和/或環(huán)境中。輻射EMI類似于廣播，因為它通過自由空間從**機傳播到接收機，而傳導(dǎo)EMI沿著導(dǎo)體傳播。FCC規(guī)定了傳導(dǎo)和輻射EMI的限制，且給定類別的所有設(shè)備必須符合這些標(biāo)準(zhǔn)。
各機構(gòu)發(fā)布的規(guī)范對傳導(dǎo)和輻射EMI進行了限制。FCC*15部分是較為常見的規(guī)范之一，該部分涵蓋了家庭或家庭附近使用的電路組件。本規(guī)范的測試在露天環(huán)境中進行，使用距離地面約5米的10米天線。
另一個規(guī)范SAEJ1752-3的測試方法較以IC為中心，建議將待測試的IC安裝在小型電路板上，并在實際應(yīng)用環(huán)境中運行時測量電路板的輻射**。對于本試驗，CISPR-25（汽車EMI規(guī)范SAE J1113的子集）規(guī)定了各種頻帶的輻射EMI限值。
使用兩塊測試板進行FCC B類*15部分的EMI測試，每塊測試板包含一個嵌套6通道CMOS數(shù)字隔離器，所有輸入連接高，以較大限度地增加內(nèi)部**機的**（即，在兩塊嵌套板上以全速切換12通道）。CMOS數(shù)字隔離器通過FCC B類*15部分，盡管使用了增加EMI**的插座。CMOS數(shù)字隔離器主要通過組合場抵消內(nèi)部差分信號路徑、隔離電容的大小以及低功率主振蕩器的設(shè)計來實現(xiàn)低EMI操作。根據(jù)要求，可從硅實驗室獲得EMI圖。
射頻抗擾度
射頻抗擾度是隔離器拒絕強局部電磁場的能力，從而保持無誤數(shù)據(jù)傳輸。直觀地說，可以假設(shè)環(huán)境射頻場會干擾CMOS數(shù)字隔離器的內(nèi)部射頻數(shù)據(jù)傳輸。然而，CMOS數(shù)字隔離器憑借其設(shè)計表現(xiàn)出較高的外部射頻噪聲抑制程度。
局部場在CMOS數(shù)字隔離器的內(nèi)部信號路徑內(nèi)感應(yīng)共模電壓，該共模電壓被CMOS數(shù)字隔離器的差分隔離信號路徑和高接收器選擇性的組合所拒絕。CMOS數(shù)字隔離器內(nèi)部差分信號路徑兩側(cè)的信號電平緊密匹配，導(dǎo)致接收器輸入端的共模電壓被拒絕。然后，接收器僅在非常窄的頻帶內(nèi)放大差分輸入電壓，并拒絕所有其他輸入。總之，這些機制拒絕來自外部磁場的干擾，并在工業(yè)應(yīng)用中常見的惡劣電氣環(huán)境中實現(xiàn)非常高的CMTI和穩(wěn)健的操作。
如圖12所示，CMOS數(shù)字隔離器的磁場抗擾度使其能夠在大型電機和其他磁場產(chǎn)生設(shè)備附近使用。如果磁場太大和/或離隔離器太近，理論上可能會發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸錯誤。然而，在實際使用中，CMOS數(shù)字隔離器對外部磁場具有較高的抗擾度，并且經(jīng)過獨立評估，能夠承受至少1000 A/米的磁場（根據(jù)IEC 61000-4-8和IEC 61000-4-9規(guī)范）。通過距離CMOS數(shù)字隔離器0.1 m的0.1 m導(dǎo)體，可產(chǎn)生107安培的此類磁場。在任何操作環(huán)境中都不太可能發(fā)現(xiàn)這種情況。在損壞CMOS隔離器的隔離柵之前，這樣的磁場很可能會破壞周圍的電路。此外，CMOS數(shù)字隔離器具有獨立實驗室測量的高電場抗擾度（較小20 V/米）。
靜電放電（ESD）和電過應(yīng)力（EOS）
ESD和EOS事件（如快速瞬變和浪涌）可由多種原因引起，包括交流線路偏移、接地之間的共模瞬變、雷擊和人為操作。ESD是這些應(yīng)力的一個子集，IC封裝級別的測試提供了與組件處理相關(guān)的設(shè)備穩(wěn)健性測量（見表4）。
雖然CMOS數(shù)字隔離器比大多數(shù)光耦具有較高的ESD抗擾度，但需要注意的是，測試包括將ESD直接應(yīng)用于無電源隔離器引腳。然而，一旦安裝在電路板上，隔離器就會成為較大電路的一部分，在較大電路中，處理相關(guān)ESD沖擊通常會擴散到低阻抗電路路徑上。因此，具有6 kV ESD額定值的隔離器可在具有15 kV ESD事件的系統(tǒng)內(nèi)可靠運行。必須在系統(tǒng)級別解決針對其他EOS應(yīng)力的保護問題。這些考慮因素包括用于較小化噪聲的適當(dāng)布局技術(shù)、仔細注意短跟蹤路徑以較小化串聯(lián)電感（從而減小電路振鈴）、適當(dāng)?shù)钠秒娫唇拥?、布線和濾波，以及防止電壓和電流浪涌。

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