光耦合器使用LED發出的光將數據通過隔離柵傳輸到一個光電二極管。當LED開(kai)啟(qi)和(he)關(guan)閉(bi)時(shi)，將(jiang)在(zai)電(dian)氣(qi)隔(ge)離(li)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)一(yi)端(duan)產(chan)生(sheng)邏(luo)輯(ji)高(gao)和(he)低(di)信(xin)號(hao)。光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)的(de)速(su)度(du)與(yu)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)檢(jian)波(bo)器(qi)的(de)速(su)率(lv)以(yi)及(ji)為(wei)其(qi)二(er)極(ji)管(guan)電(dian)容(rong)充(chong)電(dian)的(de)時(shi)間(jian)直(zhi)接(jie)相(xiang)關(guan)。提(ti)升(sheng)速(su)度(du)的(de)一(yi)種(zhong)方(fang)式(shi)是(shi)提(ti)高(gao)LED電流
，但其代價是功耗的增加。

 

而er基ji於yu變bian壓ya器qi的de數shu字zi隔ge離li器qi借jie助zhu變bian壓ya器qi以yi磁ci性xing方fang式shi將jiang數shu據ju通tong過guo隔ge離li柵zha進jin行xing耦ou合he。變bian壓ya器qi電dian流liu脈mai衝chong通tong過guo一yi個ge線xian圈quan，形xing成cheng一yi個ge很hen小xiao的de局ju部bu磁ci場chang
，從cong而er在zai另ling一yi個ge線xian圈quan生sheng成cheng感gan應ying電dian流liu。變bian壓ya器qi的de傳chuan輸shu速su率lv自zi然ran比bi光guang耦ou合he器qi快kuai很hen多duo。而er且qie變bian壓ya器qi為wei差cha分fen架jia構gou
，具ju有you出chu色se的de共gong模mo瞬shun變bian抗kang擾rao度du。另ling外wai，由you於yu數shu字zi隔ge離li器qi基ji於yu變bian壓ya器qi
，而er光guang耦ou合he器qi則ze基ji於yuLED
，因此，數字隔離器的可靠性/MTTF要遠遠優於光耦合器。

 

 

圖1所示為Boston Engineering Corporation開發的高電壓FlexMC電機控製驅動的框圖(http://www.boston- engineering.com/)
，它能與ADSP-CM40x混合信號控製處理器對接。它接收一個通用交流輸入，提供一個功率因數校正(PFC)前端
，驅動一個永磁同步電機(PMSM)
，並為一個帶傳感器或不帶傳感器的控製裝置提供必要的反饋調理
，此裝置運行於ARM® Cortex™-M4混合信號控製處理器ADSP-CM40x及一個16位高精度模擬前端。中間部分是一個隔離柵，位於高電壓電源電子元件和控製器之間。電機電源電子元件隨高電壓電勢而浮動，而ADSP-CM40x處理器則以接地為基準，因此需要進行隔離。本文將討論選擇數字隔離器而非光電耦合器將如何改善該設計。

 

圖1. 電機控製框圖

 

在閉環電機控製設計中，兩個關鍵的硬件構成為脈衝寬度調製(PWM)控製器輸出和電機相位電流反饋。這些信號(如框圖所示)通過隔離柵。另外，隔離器的使用還可惠及幾種其他功能
，包括數字通信和低電壓、低功耗和隔離DC-DC轉換。

 

 

對功率級進行脈衝寬度調製

，這是所有電機驅動的核心所在。開關頻率範圍一般為10 kHz – 20 kHz。在優化控製性能時，對脈衝寬度、停滯時間和通道間延遲的精密控製顯得至關重要。在為PWM控製信號選擇適當的隔離器件時，數字隔離器在性能和成本兩個方麵都要遠遠優於同級別的光耦合器選項(見表1中的比較)。

 

表1. PWM數字隔離器與光耦合器的比較

 

例如，控製器將在開關信號之間引入停滯時間，以防止任何高端和低端晶體管對同時傳導(即直通)。停滯時間為功率開關的開啟和關閉延遲以及隔離電路所致延遲的不確定性的函數。ADuM1310數字隔離器的通道間匹配時間僅為2 ns，光耦合器則高達500 ns。采用數字隔離器可以大幅縮減停滯時間，從而提高功率逆變器的性能。另外
，如比較表中所示，除了性能以外，ADuM1310還是一種集成度更高的解決方案，可以減少元件數量和物料成本。

 

 

多(duo)數(shu)高(gao)級(ji)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)以(yi)電(dian)機(ji)相(xiang)位(wei)電(dian)流(liu)為(wei)主(zhu)反(fan)饋(kui)。為(wei)了(le)提(ti)供(gong)連(lian)續(xu)的(de)反(fan)饋(kui)，將(jiang)超(chao)低(di)電(dian)阻(zu)分(fen)流(liu)電(dian)阻(zu)與(yu)電(dian)機(ji)相(xiang)位(wei)串(chuan)聯(lian)起(qi)來(lai)。然(ran)而(er)，這(zhe)會(hui)增(zeng)加(jia)電(dian)路(lu)的(de)複(fu)雜(za)性(xing)
，因(yin)為(wei)需(xu)要(yao)測(ce)量(liang)毫(hao)伏(fu)級(ji)的(de)信(xin)號(hao)以(yi)及(ji)以(yi)快(kuai)速(su)dv/dt高頻切換的百伏級共模電壓擺幅。對於這種設計
，兩個AD7401A隔離式Σ-Δ調製器用來測量電機繞組電流，數字位流則由ADSP-CM40x上的數字過濾電路進行處理。ADSP-CM40x的內置sinc濾波器允許與隔離式Σ-Δ型調製器實現無縫連接。第三相電流可以基於另外兩相電流以數學方法計算得到
，以減少功耗、降低元件成本。AD7401A在單封裝中集成了一個差分采樣保持級

、一個Σ-Δ調製器和數字隔離機製。高電壓端模擬信號被轉換成一個數字串行數據流
，然後通過隔離柵傳輸至低電壓端。AD7401A還含有一個時鍾輸入引腳，隻需一個時鍾源，即可同時對各器件進行測量。正如表2所示，市場上的確存在集成度和成本類似的光耦合器
；然而，數字隔離器技術在功耗、速度和可靠性方麵的表現仍然更加突出
，這是與器件的基礎結構相關的，更不用說AD7401A出色的調製器性能。

 

表2. 相位電流數字隔離器與光耦合器比較

 

 

I2C是一款雙線
、多分支通信接口，通常用於為控製器提供數字或模擬I/O擴展能力。這種方法通常是定期監控或更新的“一般管理”類功能的預留方法。FlexMC高電壓電路板采用一個I2C接口來與PFC控製器進行通信

，同時以一個ADC來監控總線電壓
、總線電流和IGBT溫度。相反，沒有一款光耦合器能夠單獨提供I2C隔離能力。結果，如表3所示，ADuM1250在成本、尺寸、元件數量和性能方麵都是比光耦合器更具優勢的I2C隔離選擇。ADuM1250允許ADSP-CM40x控製器僅僅使用一個雙線外設接口通過一個隔離器對高電壓端的所有這些功能進行監控。

 

表3. I2C數字隔離器與光耦合器的比較

 

 

數字隔離器技術給這種設計帶來的另一優勢在於可以產生超低電平的隔離電源。兩個ADuM5000器件用於產生5 V隔離電源，具備最高500 mW的功率輸出能力。這些用於驅動Σ-Δ轉zhuan換huan器qi的de模mo擬ni端duan，後hou者zhe會hui隨sui快kuai速su變bian化hua的de電dian機ji電dian壓ya而er浮fu動dong。這zhe些xie隔ge離li電dian源yuan與yu數shu據ju隔ge離li器qi采cai用yong相xiang同tong的de技ji術shu，因yin此ci
，它ta們men都dou內nei置zhi了le一yi個ge開kai關guan頻pin率lv為wei180 MHz的變壓器。這一頻率比標準DC-DC轉換器高出三個數量級，因而允許大幅縮減尺寸。ADuM5000器件采用SOIC-16封裝，是提供低功率隔離電壓的一種簡便方案。
 

 

本文轉載自亞德諾半導體。