【技术干货】CMOS数字隔离助工业自动化安全性大增

by Administrator Siliconlabs on ‎05-15-2017 02:37 AM

CMOS数字隔离助工业自动化安全/可靠性大增

作者:Silicon Labs资深应用工程师黄科涛

 

工业自动化发展热潮正不断升温,尤其是在可确保设备安全性和可靠性的隔离设计方面上更是涌现了巨量的设计需求,引来可观的商机。为了协助业界人士加速实现相关解决方案,本文除针对工业自动化目标市场的隔离应用,专注于可编程逻辑控制器(PLC)和工厂自动化的发展进行详细的市场与技术分析外,也详细说明了新型互补式金属氧化物半导体(CMOS)数字隔离器相较于传统光耦合隔离方案对工业自动化应用所带来的显著优势。欢迎观看完整文章!

 

工业自动化四大技术挑战

 

工业自动化的发展道路上,所包含的许多技术挑战包括:

  • 第一:设备安全无法妥协

    o   安全功能至关重要。

    o   产品在高应力下性能必须稳定。

  • 第二:高噪声环境中的正常工作

    o   工厂外部电/磁场的抗干扰性高。

    o   高电压瞬变噪声的抗干扰能力强。

  • 第三:产品使用寿命长

    o   整个温度范围不同VDD电压,以及长期使用时,关键参数必须稳定。

    o   在高应力下产品使用寿命长。

  • 第四:高性能

    o   产品性能必须世界顶尖。

    o   低延迟和低延迟偏差以确保高效率和吞吐量。

 

基于上述的技术挑战,适用于工业自动化的高性能隔离产品也必须是高安全,高抗干扰性与长寿命。工厂存在很多高压设备,透过隔离方案不仅能保护电子系统和人员,也能抑制噪声以确保设备的可靠度和稳定性。

 

随着工业自动化应用对相关设备的性能要求提升,内建隔离技术也开始发生转变,传统的隔离使用光耦合技术,由于先天的特性逐渐难以满足工业自动化设计需求,包括可靠性较差、时序特性不佳、无余裕的共模瞬态噪声免疫(CMTI)、能源效率低等,使业界开始将目光移至新型的CMOS电容耦合数字隔离器方案。

 

差分电容耦合技术展高效

 

CMOS数字隔离器采用开关键控调制技术的CMOS设计,并使用差分电容耦合,可以达成高可靠度和稳定性,不会随温度、工作电压和产品寿命而改变,另外还具备卓越的时序特性,包括低传输延时、低传输延迟偏差等。更重要的是,CMOS数字隔离器具有高共模瞬态噪声免疫(CMTI),而且相对于光耦,只需要较小的功率,因此可以降低总体系统功耗。图1及图2为传统光耦和CMOS数字隔离方案的比较。

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图1 传统光耦隔离方案特性

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2 新型CMOS数字隔离方案特性

 

新型数字隔离器提升PLC效能

 

其中,针对工业机器控制和制程的自动化,性能优异的可编程逻辑控制器(PLC)是一大关键。以Silicon Labs为例,为因应此一情况,该公司近期推出首款高速、多信道数字隔离器,便是锁定PLC的应用需求。新型Si838x数字隔离器(3)可为工厂自动化PLC提供优于光电耦合器的性能和使用寿命,其特性包含高速通道(高达2Mbit/s)、高通道整合度(每个设备最高可达八个信道)、双极输入弹性、高抗干扰性和2.5KVrms安全隔离等级。此外,该产品适用于分布式过程控制系统中的可程序自动化控制器(PAC)

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Si838x数字隔离器有效解决PLC设计挑战。

 

PLC广泛部署在恶劣的工厂车间环境中,因此必须兼具可靠和精小特性。许多PLC设计规模可达一百二十八个通道,并且有多个高速输入。尽管光电耦合器已经在过去几十年中提供了默认隔离解决方案,但是它们也使得PLC设计人员面临极大挑战。由于缺乏高速能力,光电耦合器无法满足高性能PLC应用,例如伺服电机控制。

 

光电耦合器也缺乏高噪声抑制能力,并且其性能会随时间和温度变化而下降,因此在高温工业应用中会带来可靠性风险。然而,上述提到的Si838x系列可克服这些挑战,其于精小QSOP封装中提供了弹性、高速、多通道的双极性隔离解决方案,相较于基于光电耦合器的解决方案,可提供更长的使用寿命和更高的可靠性。

 

隔离闸级驱动器提供确实保护

 

另一方面,工业自动化对电机控制的要求也持续提高,这是由于AC交流感应电机驱动部分有多级是透过绝缘闸双极晶体管(IGBT)给电机提供电能,必须透过高性能的隔离闸极驱动器为系统提供保护功能、并提供电流/电压回馈用于环路控制。业界人士选用驱动器的关键指针包括两点,整合IGBT保护特性、低延迟、高噪声免疫和支持宽广工作温度范围;而对于电流感应的关键需求则是具备高噪声免疫、低延迟、工作温度范围内的高精准度。

 

基于上述市场需求,再以Silicon Labs为例,该公司也发表了新一代Si828x ISOdriver隔离闸极驱动器系列(4),为逆变器和电机驱动应用提供保护。该产品旨在保护电源逆变器和电机驱动应用中敏感的IGBT,提供了工业级的隔离等级(5kVrms)和较佳的特性整合:包括可选的DC-DC转换器、较快的去饱和检测、良好的计时特性,以及较佳的噪声和瞬变抑制能力。

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4 高整合度的Si828x降低了电机控制设计的复杂度。

 

另一方面,由于其中的许多系统工作时间预期要超过25年,并且运行环境恶劣,而隔离器可能成为这些系统中首要的故障点和寿命限制组件。传统的基于光耦的隔离器受到工作温度范围、噪声干扰和产品寿命的极大限制,而该系列隔离闸极驱动器采用基于Silicon Labs旗下的CMOS隔离技术,能够在整个工业温度范围内工作,支持长达100年的产品使用寿命,同时能满足严格的ULVDECQCCSA标准,进而为工业电机驱动、太阳能逆变器、高压电源转换器、不间断电源,以及暖气、通风和空气调节(HVAC)压缩机控制提供理想的解决方案。

 

为因应工业自动化,除了上述提到的数字隔离解决方案之外,使用者还可运用其他隔离产品,如包括针对电源隔离的数字隔离器、可提升开关电源安全性的驱动器,以及能够准确测量高电压系统电流的隔离放大器等等;另外,完善的评估套件和开发工具,也能为工业自动化设备开发人员提供了完整的隔离技术支持。

 

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