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數(shù)字電容隔離器的磁場(chǎng)抗擾度

發(fā)布時(shí)間:2012-03-30 來源:德州儀器 (TI)

中心議題:

  • 判斷磁場(chǎng)方向的基本物理定則
  • 介紹電容隔離器的結(jié)構(gòu)
  • 數(shù)字電容隔離器的磁場(chǎng)抗擾度分析


數(shù)字電容隔離器的應(yīng)用環(huán)境通常包括一些大型電動(dòng)馬達(dá)、發(fā)電機(jī)以及其他產(chǎn)生強(qiáng)電磁場(chǎng)的設(shè)備。暴露在這些磁場(chǎng)中,可引起潛在的數(shù)據(jù)損壞問題,因?yàn)殡妱?shì)(EMF, 即這些磁場(chǎng)形成的電壓)會(huì)干擾數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸。由于存在這種潛在威脅,因此許多數(shù)字隔離器用戶都要求隔離器具備高磁場(chǎng)抗擾度 (MFI)。許多數(shù)字隔離器技術(shù)都聲稱具有高 MFI,但電容隔離器卻因其設(shè)計(jì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)擁有幾乎無窮大的 MFI。本文將對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

基本物理定則

諸如電動(dòng)機(jī)的電源線等帶電導(dǎo)體,其周圍便是一個(gè)由流經(jīng)它的電流形成的磁場(chǎng)。應(yīng)用右手定則(請(qǐng)參見圖 1),我們很容易便可以確定該磁場(chǎng)的方向。該定則的內(nèi)容如下:用右手握住導(dǎo)體,然后拇指指向電流的方向,這時(shí)環(huán)繞導(dǎo)體的手指便指向磁場(chǎng)的方向。因此,磁通線的平面始終與電流垂直。

圖 1 顯示了 DC 電流的磁通密度 B。就 AC 電流而言,將右手定則用于兩個(gè)方向,磁場(chǎng)和 AC 電流都隨同一個(gè)頻率 f 而變化:B(f) ~ I(f)。磁場(chǎng)(或者更加精確的說法是磁通密度及其相應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度)隨導(dǎo)體中心軸距離的增加而減弱。這些關(guān)系可以表示為:
 
以及
 
其中,B 為以第平方米伏秒 (V•s/m2) 表示的磁通密度,μ0 為自由空間中的磁導(dǎo)率(計(jì)算方法為 4π × 10–7 V•s/A•m),I 為以安培為單位的電流,r 為以米為單位的導(dǎo)體距離,而 H 為以安培每米 (A/m) 為單位的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
 


圖 1 右手定則


磁場(chǎng)線穿過附近導(dǎo)體環(huán)路時(shí),它們會(huì)產(chǎn)生一個(gè) EMF,其強(qiáng)度大小取決于環(huán)路面積和通量密度及磁場(chǎng)頻率:
 
EMF 為以伏特為單位的電勢(shì),f 為磁場(chǎng)頻率,而 A 為以平方米 (m2) 為單位的環(huán)路面積。

所有隔離器都有一定形狀或者形式的導(dǎo)電環(huán)路,以讓磁場(chǎng)線穿過并產(chǎn)生 EMF。如果強(qiáng)度足夠大,則這種疊加到信號(hào)電壓上的 EMF 就會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)際上,一些隔離技術(shù)對(duì)電磁干擾非常敏感。為了理解電容隔離器為什么不受磁場(chǎng)的影響,我們需要對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

電容隔離器的結(jié)構(gòu)

電容隔離器由兩塊硅芯片—一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收機(jī)組成(請(qǐng)參見圖 2)。數(shù)據(jù)傳輸在由兩個(gè)電容構(gòu)成的差動(dòng)隔離層之間進(jìn)行,在每個(gè)電容的二氧化硅 (SiO2) 電介質(zhì)兩端都有一塊銅頂片和一個(gè)導(dǎo)電硅底片。發(fā)送器芯片的驅(qū)動(dòng)器輸出通過一些接合線連接到接收機(jī)芯片上隔離電容的頂片。通過將電容的底片連接接收機(jī)輸入構(gòu)成了一個(gè)導(dǎo)電環(huán)路。圖 3 顯示了隔離層的等效電路結(jié)構(gòu)圖,并標(biāo)示出了金接合線之間的環(huán)路區(qū)域。很明顯,穿過該環(huán)路的磁場(chǎng)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè) EMF,其表示下面 RC 網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓噪聲 Vn1。我們常常碰到的第二種差動(dòng)噪聲部分 Vn2,其產(chǎn)生原因是共模噪聲到差動(dòng)噪聲的轉(zhuǎn)換。兩個(gè)噪聲分量共同組成了綜合噪聲 Vn。如果只考慮 EMF 的影響,則可以保守地將 Vn 一分為二:


 

 
圖 2 電容隔離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖[page]

 


圖 3 隔離層的等效電路結(jié)構(gòu)圖


若要觸發(fā)接收機(jī),RC 網(wǎng)絡(luò)的輸出必須提供一個(gè)差動(dòng)輸入電壓 VID,其超出了接收機(jī)輸入閾值。是否出現(xiàn)偽觸發(fā),具體取決于 RC 網(wǎng)絡(luò)的增益響應(yīng) G(f)。

將差動(dòng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為單端網(wǎng)絡(luò)(請(qǐng)參見圖 4),簡(jiǎn)化了 G (f) 的推導(dǎo)過程,但卻要求 C′1 = 2C1,R′1= R1/2,C′2 = 2C2,以及 R′2 = R2/2。
 


圖 4 單端 RC 網(wǎng)絡(luò)

 
一次電路仿真證實(shí)了 RC 網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)一階高通濾波器,其 C′1 和 R′1 為主要組件,頻率高達(dá) 100 MHz(參見圖 5 中藍(lán)色曲線)。超出這一頻率以后,寄生組件 C′2 和R′2生效,從而引起稍稍偏離于線性的斜率。因此,頻率達(dá)到 100 MHz 以后,增益響應(yīng)可以表示為 VID/vn 的比:

確定不會(huì)引起偽接收機(jī)觸發(fā)的最大允許噪聲,要求對(duì)方程式 5 求解 vn:

然后,將 vn 代入方程式 4,得到以伏特為單位的最大容許 EMF:

將 EMF 代入方程式 3,得到最大可能磁通密度:

 

 
圖 5 增益幅度頻率響應(yīng) |G(f)|

 [page]
通過將下列數(shù)值插入方程式 8 中,推導(dǎo)出表 1 所列磁通密度的頻變值:
VID = 10 mV(接收機(jī)輸入閾值的大?。?br /> R′1 × C′1 = 25 ps(有效時(shí)間常數(shù))
A = 944 × 10–9 m2(有效環(huán)路面積)
f = 1 kHz to 100 MHz(相關(guān)頻率范圍)
 

表 1 距離電容隔離器 0.1m 的導(dǎo)體的電流值和磁場(chǎng)值

 

利用方程式 2 和 3 還得到 EMF、磁場(chǎng)強(qiáng)度 (H) 以及導(dǎo)體(此處假設(shè)將來的隔離器為 0.1 m)的相應(yīng)電流 (I)。

由表 1 所列的一些極高值,清楚地表明 5 兆安低頻電流和 100MHz 下 500A 電流都不能讓這種隔離器停止正常工作。出現(xiàn)這種幾乎無限 MFI 的原因是隔離電容的位置。如果這些電容位于發(fā)送器芯片上,則任何接合線中產(chǎn)生的 EMF 都能夠影響到未受干擾的接收機(jī)輸入。

很明顯,這種高 MFI 值不可能進(jìn)行實(shí)際的測(cè)試。電容隔離器的產(chǎn)品說明書說明了僅 1000 A/m 的適度值作為實(shí)際測(cè)試用。然而,無屏蔽電容隔離器可以輕松通過 IEC61000-4-8 和 IEC61000-4-9 標(biāo)準(zhǔn)的 5 級(jí) MFI 要求。這些標(biāo)準(zhǔn)分別描述了高達(dá) 100 A/m 電源頻率電磁場(chǎng)以及 1000 A/m 脈沖電磁場(chǎng)的應(yīng)用。5 級(jí)規(guī)定了許多導(dǎo)體、總線或者中高壓線路的惡劣工業(yè)環(huán)境,它們都攜帶有數(shù)萬安的電流。另外還包括許多攜帶全部雷電電流的雷電保護(hù)系統(tǒng)和高層建筑結(jié)構(gòu)(例如:電纜塔等)的接地導(dǎo)體。重型工業(yè)廠房和電站的室外配電裝置也是這種環(huán)境的代表。

圖 6 將電容隔離器的計(jì)算得 MFI 閾值同 IEC 61000-4-8 和 IEC 61000-4-9 的 5 級(jí)(最高)測(cè)試水平進(jìn)行了對(duì)比。
 


圖 6 MFI 測(cè)試閾值


結(jié)論

超出電容隔離器差動(dòng)電路噪聲預(yù)算的磁耦合要求 1MHz 下大于 11.7 V•s/m2(117千高斯) 的磁通量密度。這需要在一個(gè)距離器件 0.1m 的導(dǎo)體中有超過 5 百萬安的電流才能產(chǎn)生這樣一個(gè)磁場(chǎng)。在自然界或者任何制造設(shè)備中這都是不可能存在的。如果的確存在,那么設(shè)計(jì)人員便可做以下情況假設(shè):在隔離層失效以前,周圍的電路便都已失效。

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