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一 隔離器行業(yè)現(xiàn)狀
隔離器隔離技術(shù)在低壓電器行業(yè)中的應(yīng)用繼美國(guó)之后,我國(guó)也將智能電網(wǎng)的發(fā)展提到戰(zhàn)略的層面。智能電網(wǎng)要求從發(fā)電、輸電到配電的整個(gè)電網(wǎng),包括系統(tǒng)和元器件可靠、安全,能夠保證供電的連續(xù)性、安全性,低壓電器為了適應(yīng)智能電網(wǎng)的應(yīng)用,提高低壓配電與控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性以及自動(dòng)化程度,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化是發(fā)展的必然方向。一旦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化,低壓電器必須具有雙向通信功能,經(jīng)通信適配器能與各種現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)連接。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用,使配電系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)變得更簡(jiǎn)潔、更。同時(shí),低壓電器必須具有更高的動(dòng)作可靠性和承受環(huán)境變化帶來(lái)的影響。
由于低壓電器所處的工作環(huán)境非常惡劣(如強(qiáng)磁場(chǎng),電磁輻射,瞬態(tài)干擾脈沖,溫度),低壓電器通信的可靠性受到挑戰(zhàn);為了保證通信的準(zhǔn)確可靠和系統(tǒng)穩(wěn)定,通常會(huì)選用一些隔離器件將通訊數(shù)據(jù)在接口上實(shí)現(xiàn)電氣隔離,提高低壓電器工作的可靠性。
二 隔離技術(shù)
當(dāng)前的隔離技術(shù)主要有:變壓器、光耦合器、iCoupler隔離器、電容隔離以及GMR隔離器,都提供電流隔離的典型方法,它們能阻斷不共地兩點(diǎn)之間的電流,同時(shí)允許數(shù)據(jù)順利通過(guò)。所謂“隔離”是用來(lái)保護(hù)設(shè)備以防由電源浪涌或接地環(huán)路引起的高電壓或電流而造成設(shè)備損壞或工作失常。如果不采用隔離,上述電流會(huì)引入噪聲,降低數(shù)據(jù)傳輸可靠性,甚至?xí)南到y(tǒng)元件。
1. 光耦合器
光耦合器是應(yīng)用范圍較廣的產(chǎn)品,它以光為媒介傳輸電信號(hào),對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用,一般由三部分組成:光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管(LED),使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光,被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流,再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換,從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離,電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn),因而具有良好的電絕緣能力和抗*力。又由于光耦合器的輸入端是電流型工作的低阻元件,因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。光耦合器會(huì)占用很大的空間,傳輸頻率也相當(dāng)有限(zui多僅數(shù)十個(gè)Mbps)。更糟的是,光耦合器的效能還會(huì)隨著環(huán)境溫度的增加而下降。隨著系統(tǒng)溫度升高,光耦合器的驅(qū)動(dòng)電流需求在許多情形下會(huì)增加一倍,這是因?yàn)殡娏鱾魉捅龋–TR,代表輸入信號(hào)傳送到輸出端的比值)會(huì)隨著溫度從25℃升高至100℃而減少六成。這會(huì)增加光耦合器驅(qū)動(dòng)電流和系統(tǒng)散熱需求。
2. iCoupler隔離器
iCoupler技術(shù)基于芯片級(jí)變壓器,采用晶圓級(jí)工藝直接在片上制作變壓器。iCoupler變壓器采用平面結(jié)構(gòu),在晶圓鈍化層上使用CMOS金屬和金構(gòu)成。金層下有一個(gè)高擊穿的聚酰亞胺層,將頂部的變壓器線圈與底部的線圈隔離開(kāi)來(lái)。連接頂部線圈和底部線圈的CMOS電路為每個(gè)變壓器及其外部信號(hào)之間提供接口。使用傳送到給定變壓器初級(jí)端的1 ns脈沖對(duì)輸入邏輯跳變進(jìn)行編碼。這些脈沖從變壓器初級(jí)線圈耦合到次級(jí)線圈,并且由次級(jí)端電路檢測(cè)。然后,該電路在輸出端重新恢復(fù)成輸入數(shù)字信號(hào)。此外,輸入端還包含一個(gè)刷新電路,保證即使在沒(méi)有輸入跳變的情況下輸出狀態(tài)也與輸入狀態(tài)保持匹配。
3. GMR隔離器
GMR高速數(shù)字隔離器件是采用GMR巨磁電阻技術(shù)集成的高速CMOS器件。巨磁電阻(GMR)效應(yīng)來(lái)自于載流電子的不同自旋狀態(tài)與磁場(chǎng)的作用不同,因而導(dǎo)致的電阻值的變化。這種效應(yīng)只有在納米尺度的薄膜結(jié)構(gòu)中才能觀測(cè)出來(lái)。在GMR隔離器中,輸入端信號(hào)在低電感線圈感應(yīng)電流,產(chǎn)生正比的磁場(chǎng)??偟拇艌?chǎng)改變GMR的電阻,通過(guò)CMOS集成電路分析,輸出就是輸入信號(hào)的重生。GMR在隔離方面具有兩個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)。首先,GMR電阻的巨大變化提供了一個(gè)更大的信號(hào)。其次,也許更重要的是, GMR技術(shù)與集成電路技術(shù)兼容,允許巨磁阻器件可作為一部分芯片的封裝,這將導(dǎo)致更小,更快,更的器件。
4. 電容耦合隔離器件
電容耦合使用不斷變化的電場(chǎng)來(lái)通過(guò)隔離層實(shí)現(xiàn)信息傳輸。電容器極板之間的材料是電介質(zhì)絕緣體(二氧化硅),即隔離層,這種高性能的絕緣體具有很穩(wěn)定的可靠性和耐用性以及抗磁*力和抗瞬態(tài)電壓能力。采用電容隔離層的優(yōu)勢(shì)是效率高,無(wú)論在體積、能量轉(zhuǎn)換還是在抗磁場(chǎng)干擾方面均如此。電容耦合的缺點(diǎn)在于無(wú)差分信號(hào),并且噪聲與信號(hào)共用同一條傳輸通道。這就要求信號(hào)頻率應(yīng)遠(yuǎn)高于可能出現(xiàn)的噪聲頻率,以便使隔離層電容對(duì)信號(hào)呈現(xiàn)低阻抗而對(duì)噪聲呈現(xiàn)高阻抗。電容耦合存在帶寬限制,并需要時(shí)鐘編碼數(shù)據(jù)。
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