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評估工業隔離器效能的新動態共模抑制測試
 

【作者: Vincent Ching】   2013年11月04日 星期一

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長久以來,共模靜態規格已經成為測量與比較採用不同架構或技術隔離器的產業標準,然而舊的標準目前已經不再適合做為測量和比較的指標,原因是了解終端系統運作狀態下輸入與輸出變化時的共模抑制(CMR, Common Mode Rejection)效能非常重要,如果可以進一步探討隔離器所採用的技術,例如光學、磁光、電容或射頻將可以使選擇的過程更加妥善。


歷史最久並且最為完善的為使用紅外線的隔離技術,光學技術也是唯一由國際認可IEC 60747-5-5安全標準涵蓋的技術,光耦合器為允許信號於電路或系統間傳送,並保持電路或系統間電氣隔離的光電耦合半導體元件,市場上提供有單一或多通道光耦合器產品,光耦合器有時也稱為光電耦合器或光隔離器。


圖1顯示了典型光耦合器中的構成部件,通過提供足夠的絕緣厚度,可以將輸入與輸出間的寄生電容耦合降到最低,從而提高光耦合器的CMR,另外,安華高科技(Avago Technologies)更透過使用環繞光偵測器的內部法拉第屏蔽(Faraday shield)進一步強化光耦合器的CMR,這個屏蔽允許光傳輸並將其他任何電氣干擾接地。


以最簡單的型式來看,光耦合器包含一個做為信號傳輸的LED與做為信號偵測的光感測器,並在發射器與偵測器間加入絕緣電壓介電材料,圖2的封裝X光圖顯示了基本的構成部件。


發射器與偵測器間的介電絕緣材料對於建立高電壓耐受能力非常重要,並由國際安全標準加以定義,原因是它的厚度與介電強度決定了光耦合器的高電壓絕緣能力。



圖一 : Avago公司光耦合器內部結構圖。
圖一 : Avago公司光耦合器內部結構圖。
  • Light Blocking Epoxy Outer Mold = 遮光環氧外模


  • Input Leadframe = 輸入導線架


  • Dielectric Insulation = 介電絕緣材料


  • Photodetector = 光偵測器


  • Reflective Silicone = 反射用矽樹脂


  • Output Leadframe = 輸出導線架




圖二 : 光耦合器的X光圖。
圖二 : 光耦合器的X光圖。

封裝的選擇也可以使隔離器更為可靠並符合較嚴格的安全標準,Avago的光耦合器由於在輸入LED到光偵測器的絕緣穿透距離(DTI, Distance Through Insullation)上大於其他非光學隔離元件,因此具有較好的CMR效能,爬電距離與電氣間隙封裝規格也由安全標準定義並標註於產品規格書中,產品規格通常隨特定封裝型態而在功能上有所不同。


如何測量靜態CMR?

圖3中的CMR測試電路顯示了典型波形,由隔離器的輸入到輸出送入一個脈衝來模擬共模雜訊,並於輸出觀察可能發生的干擾,如果輸出維持在穩定狀態並且沒有發生任何短暫的邏輯位準變化,那麼就代表通過測試。


輸入端的雙向開關使得輸出不管在邏輯高電位與低電位時都可進行CMR測量。



圖三 : 共模抑制(CMR)的測試電路與典型波形。
圖三 : 共模抑制(CMR)的測試電路與典型波形。

CMR效能會受到隔離器輸出狀態的影響,CMRL代表輸出為邏輯低電位時的CMR,CMRH則為邏輯高電位輸出的共模抑制能力,CMRL和CMRH在靜態直流輸入與輸出條件下的測量代表了終端應用在空閒或待機狀態下的可能反應。


基本上了解系統動作,也就是隔離器輸入與輸出信號變動時的CMR效能也非常重要。


何謂動態CMR?

動態CMR規格由輸入與輸出變化時的CMR測量決定,因此進行隔離器真實工作狀態的模擬,圖4為測量動態CMR的測試電路。


圖4中的動態CMR測試安排類似於靜態CMR測試,不同的是振盪器會隨時改變輸入信號,由於加入高共模電壓可能會對信號產生器的接地線造成破壞性電壓突波,因此絕對不要使用信號產生器。



圖四 : 測量動態CMR的測試電路。
圖四 : 測量動態CMR的測試電路。

光耦合器、磁光隔離器、電容式隔離器以及射頻隔離器的動態CMR比較

比較不同技術或製造商提供的隔離產品非常容易,我們使用5V電源以及5MHz的振盪器來模擬10MBd的輸入資料率進行採用光學、磁光、電容與射頻技術的隔離器動態CMR效能測量。


在各種受測隔離器中,Avago的超低耗電10MBd數位式光耦合器ACPL-M61L表現出最好的動態CMR效能,即使在1kV共模電壓下加入48kV/μs的高電壓脈衝,元件輸出也沒有任何明顯的干擾現象,這個數字高於產品規格書中的1kV共模電壓下35kV/μs標準值,圖5為Avago的ACPL-M61L於動態CMR測試過程中的示波器截圖。



圖五 : 高電壓共模雜訊電壓突波基本上也很難對Avago的ACPL-M61L光耦合器的輸出造成影響。
圖五 : 高電壓共模雜訊電壓突波基本上也很難對Avago的ACPL-M61L光耦合器的輸出造成影響。

與光耦合器比較,其他非光學隔離器的動態CMR效能測試結果都低了許多,沒有任何一個其他技術隔離器,包括磁光、電容和射頻等可以達到1kV共模電壓下超過5kV/μs的動態CMR值,圖6、圖7與圖8中的磁光隔離器、電容式隔離器以及射頻隔離器波形都受到高電壓脈衝的影響而造成錯誤的輸出,其中影響最大的是圖9的射頻隔離器,部分時間甚至進入無法使用的狀態並造成輸出漏失輸入脈衝。



圖六 : 磁光隔離器輸出對高電壓雜訊突波的響應顯示了大量的輸出干擾。
圖六 : 磁光隔離器輸出對高電壓雜訊突波的響應顯示了大量的輸出干擾。

圖七 : 電容式隔離器對高電壓雜訊突波的輸出響應顯示了輸出上的突波。
圖七 : 電容式隔離器對高電壓雜訊突波的輸出響應顯示了輸出上的突波。

圖八 : 射頻隔離器輸出輸出對高電壓雜訊突波的響應顯示了輸出上的突波。
圖八 : 射頻隔離器輸出輸出對高電壓雜訊突波的響應顯示了輸出上的突波。

圖九 : 採用射頻技術的隔離器顯示了輸出漏失部分脈衝。
圖九 : 採用射頻技術的隔離器顯示了輸出漏失部分脈衝。

在工業環境中基本上無法避免高電壓共模雜訊,但正確選擇隔離器技術可以有效保護這類惡劣環境中重要資料傳輸的信號完整性,需要安全穩固隔離解決方案的應用環境包括:工業閥門控制、電機控制、風力與太陽能發電、車輛運輸、MRI與CAT醫療應用、電梯與旅客運輸系統、白色家電、儀器設備以及智能電表等。


Avago先進的晶片設計以及特有的封裝技術可以提高光耦合器的高電壓效能與雜訊抑制能力,並提供耗電更低的解決方案,具備低電流傳輸比變化的更長壽命LED使得光耦合器成為要求安全與效能應用的可靠長期隔離解決方案。


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