功率电感:数字隔离器为工业电机驱动带来改革性突破(二)
通过隔离控制和电源电路消除噪声耦合现象,是应对这一问题的主要工具之一。隔离电路的性能是决定驱动性能的一个关键因素。在转轴转动时,转轴位置编码器将产生频率为100 kHz或以上的数字脉冲流。然而,在许多情况下,编码器上安装的电路会提高设备的精度,并使数据速率增加到10 Mbps以上。另外,跨越分流器的反馈信号也可以隔离,方法是先把数据转换成数字位流,然后把该位流与低功耗电路隔离开来。这种情况下,数据速率为10 Mbps至20 Mbps。栅极驱动电路所需要的开关性能似乎并不高,因为电机驱动逆变器的开关速率很少超过20 kHz。然而,需要在设备和低端设备的开关信号之间插入一个死区,以防止发生直通。死区为功率开关的开启和关闭延迟以及隔离电路所致延迟的不确定性的函数。死区延长会给逆变器传递函数带来更多非线性,结果将产生无用的电流谐波,并可能降低驱动效率。因此,跨越电源电路和控制电路之间的隔离栅发送数据的方法不得在开关过程中带来时序的不确定性,并须具备较强的抗噪能力。
隔离器技术传输速率比较
隔离不得给整体系统性能带来任何显着的时序不确定性或时序误差。标准光耦合器的传播延迟为微秒级,可能因器件而异,因温度和寿命而异。光耦合器技术在时序性能方面存在一些根本的不足,而现代数字隔离器采用完全不同的运算原则,其速率也更高。可以在有所折衷的情况下增加光耦合器的速率。光耦合器的工作原理是,将来自LED的光发送至一种光学透明的隔离材料,并用另一端的光电二极管检测光。光耦合器的速度与光电二极管检波器的速率以及为其二极管电
容充电的时间直接相关。减少传播延迟的一种方法是增加发射的光量。通过提高LED电流,可以使延迟减少2或3倍,但其代价是设备功耗会增加,每个数据通道高将达50 mW。提高速度的另一种办法是通过使用更薄的隔离栅来减少光传输损耗。为了维持相同的隔离能力,需要增加一层材料功率电感,但代价是成本也将增高。更快的光耦合器比标准的低成本光耦合器要贵许多倍。
相反,数字隔离器则是采用标准的高速CMOS工艺,并搭载隔离式片内微变压器。其传输速率自然比光耦合器快很多。较高的速度是电路和设计与生俱来的特点,不需要更复杂、成本更高的隔离材料也可实现更高的速度。变压器可以以高150 Mbps的传输速率传递数据,传播延迟低至32 ns,功耗<5 mW,开关速率为25 kHz或以上。速度更快的另一个好处是,通道间的匹配优于5 ns,比标准光耦合器高出了一个数量级,仅以大约一半的单位通道成本即可实现比光耦合器快3至4倍的性能。
隔离的抗噪性
在电机驱动系统中,隔离还提供了一个分离噪声源的机会,方法是以电流方式将噪声从功率开关电路和控制电路之中隔离开来。以下各项之间有安全隔离需求:高压总线、线路电压和用户界面,以同时保护人、保护其他设备。还需要在功能上使开关和低端开关与控制电路相隔离。隔离元件必须能提供必要的隔离,同时也需对嘈杂环境不敏感。
衡量隔离器分离地域之间高速噪声的能力的指标一般称为共模瞬变抗扰度(CMTI)。CMTI旨在衡量一个隔离器在隔离器数据通信不被噪声打断的情况下,对隔离栅中的电压噪声的抑制能力。其单位是kV/μs瞬变。
电压瞬变噪声跨越隔离栅的路径一般是寄生电容跨过隔离器中的隔离栅。光耦合器的CMTI一般较差,为15 kV/μs。一些现代数字隔离器采用电容耦合数据隔离技术,其信号和共模噪声使用同一路径。基于变压器的隔离器(如ADI的iCoupler数字隔离器) 的信号路径不同于噪声路径,其CMTI的值一般为50 kV/μs或以上。