用數(shù)字隔離器取代傳統(tǒng)的光耦合器

介紹

光耦合器是一種已有幾十年歷史的技術(shù)，廣泛用于信號(hào)隔離，通常提供安全隔離、信號(hào)電平移位和地面回路緩解。它們通常用于廣泛的終端應(yīng)用中，包括數(shù)據(jù)通信電路、開(kāi)關(guān)模式電源系統(tǒng)、測(cè)量和測(cè)試系統(tǒng)，以及孤立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。光耦合器有幾個(gè)缺點(diǎn)，包括隨溫度和器件老化而變化的參數(shù)不穩(wěn)定性、顯著的內(nèi)部寄生耦合、傳播延遲時(shí)間長(zhǎng)、工作溫度范圍窄和相對(duì)較低的可靠性。

在過(guò)去的30年里，光耦合器一直是“首選”隔離設(shè)備，因?yàn)樗鼈兪切盘?hào)隔離問(wèn)題的唯一集成解決方案。與光耦合器相比，當(dāng)今先進(jìn)的CMOS信號(hào)隔離產(chǎn)品提供了更好的定時(shí)性能、更高的可靠性和更低的功耗，并能捕獲傳統(tǒng)上由光耦合器持有的插座。然而，到目前為止，轉(zhuǎn)換為CMOS隔離設(shè)備通常需要進(jìn)行電路更改和PCB修改，這會(huì)花費(fèi)成本并造成設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

Si87xx系列可以作為現(xiàn)有系統(tǒng)中的針兼容光耦器升級(jí)，也可以作為新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)組件。封裝和引腳兼容性允許Si87xx取代光耦合器，大大提高器件性能和可靠性。器件操作簡(jiǎn)單：當(dāng)陽(yáng)極電流高于接通電流閾值時(shí)，Si87xx輸出保持較低，當(dāng)陽(yáng)極電流低于接通電流閾值時(shí)，由內(nèi)部或外部上拉電阻拉高。

Si87xx操作

圖1顯示了一個(gè)Si87xx方框圖，其中輸入側(cè)電路包含一個(gè)二極管模擬器、高頻發(fā)射器和電流隔離器，所有這些電路都由陽(yáng)極引腳上的電壓供電。二極管模擬器模擬光耦器LED的行為，以確保與現(xiàn)有光耦器輸入電路的兼容性。

設(shè)備操作很簡(jiǎn)單：當(dāng)陽(yáng)極電流超過(guò)其開(kāi)啟閾值時(shí)，二極管模擬器啟用發(fā)射器。這一動(dòng)作導(dǎo)致發(fā)射機(jī)將高頻載波通過(guò)隔離屏障傳播到接收機(jī)，從而迫使輸出驅(qū)動(dòng)器變低。相反，低于關(guān)閉閾值的陽(yáng)極電流使發(fā)射機(jī)失效，導(dǎo)致接收器釋放輸出引腳被上拉電阻拉高。

圖1. Si8710數(shù)字隔離器方框圖

與光耦合器相比，這個(gè)簡(jiǎn)單的架構(gòu)有許多優(yōu)點(diǎn)：

銷和包插入光耦合器升級(jí)

與光耦合器相比，更快的傳播時(shí)間，在電壓和溫度上更好的參數(shù)穩(wěn)定性，內(nèi)部低2-3倍的寄生耦合。

標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝技術(shù)

CMOS是一種公認(rèn)的工藝技術(shù)，具有40+年的學(xué)習(xí)時(shí)間，比基于gaa的光耦合器的失效時(shí)間(FIT)低5.5倍，時(shí)間依賴性介電擊穿(TDDB)為60年，平均失效時(shí)間(MTTF)為87年。CMOS還提供了光耦合器的工作溫度范圍為-40到+125°C，而不是-40到+85°C，在電壓和溫度上更大的參數(shù)穩(wěn)定性，以及與光耦合器相比的更低的工作功率。

精確電流閾值

Si826x輸出低或高，沒(méi)有模糊的輸出狀態(tài)，良好的閾值穩(wěn)定性。沒(méi)有電流傳輸比率(CTR)問(wèn)題需要解決。

改進(jìn)的性能

與光耦器相比，更短的傳播延遲時(shí)間和PWD，更寬的工作溫度范圍，更大的參數(shù)工作穩(wěn)定性。

二氧化硅基電容式隔離屏障

二氧化硅是一種超穩(wěn)定的材料，具有超過(guò)60年的使用壽命，而在光耦合器中使用壽命不到15年。

優(yōu)越的浪涌容差

根據(jù)IEC 60065的標(biāo)準(zhǔn)，可承受10 kV的浪涌沖擊

廣泛的產(chǎn)品范圍

Si87xx數(shù)字隔離器可在鷗翼PDIP8、SOIC8、LGA8和SDIP6封裝，并提供可選的內(nèi)部上拉電阻和外部啟用。

用Si87xx替換現(xiàn)有的光耦合器

l 使用Si87xx數(shù)據(jù)表或在線指南來(lái)選擇正確的，針腳兼容的Si87xx產(chǎn)品應(yīng)用程序在手邊。

l 從電路板上卸下現(xiàn)有的光耦合器，并丟棄它。

l 將選定的Si87xx器件焊接到光耦合器以前占用的位置。

l 調(diào)整的值射頻使Si87xxa級(jí)和Si87xxc級(jí)的最大電流為3 mA設(shè)備或b級(jí)設(shè)備的6個(gè)mA(見(jiàn)下圖公式1)。

l 連接電源，并驗(yàn)證系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。

請(qǐng)注意，Si87xx還與典型的外部設(shè)備提高光耦合器CMTI性能兼容，如短路開(kāi)關(guān)、反向二極管夾等。這種類型的組件可以在用戶的選項(xiàng)中保留在適當(dāng)?shù)奈恢没騽h除。

在新的設(shè)計(jì)中使用Si87xx

通常，唯一的計(jì)算值是電流限制電阻器的計(jì)算值，射頻.第一步是確定應(yīng)用是否從低陽(yáng)極電流(A級(jí)或C級(jí))或高共模瞬態(tài)免疫(B級(jí))中獲益更多。一旦做出這個(gè)決定，陽(yáng)極電流閾值和最佳ON電流值，值計(jì)算射頻(見(jiàn)公式1)很簡(jiǎn)單。

公式1

Si87xx封裝和針腳兼容性使升級(jí)現(xiàn)有的光耦合器電路快速和容易。只需查找最接近現(xiàn)有光耦器的替換器，并用適當(dāng)?shù)?Si87xx替換光耦器(也可能還需要調(diào)整陽(yáng)極輸入電阻RF的值以實(shí)現(xiàn)最佳操作)。圖2中的PCB同時(shí)使用了一個(gè)Si87xx數(shù)字隔離器和一個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的光耦合器。

外部數(shù)字輸入信號(hào)被緩沖并輸入到兩個(gè)設(shè)備的輸入，而輸出信號(hào)在示波器上觀察。圖3 顯示了兩種設(shè)備在室溫下的輸出，而圖4顯示了在80°C下的輸出。注意由Si87xx設(shè)備提供的更快的傳播延遲上升時(shí)間。

圖2. Opto對(duì)比EVB

圖3。在室溫下的光耦合器比較EVB

圖4使用與圖3相同的設(shè)置，但這一次在較高溫度下工作。藍(lán)色波形是Si8710A的輸出，黃色波形是HCPL-4506的輸出。與 圖3相比，隨著工作溫度的升高，HCPL 4506輸出下降邊緣明顯變慢，傳播延遲惡化。請(qǐng)注意，Si8710A的輸出性能基本相同，如圖3所示

圖4。在80°C下的光耦合器比較EVB

總結(jié)

Si87xx數(shù)字光耦合器升級(jí)是第一個(gè)也是唯一的增強(qiáng)光耦合器替代技術(shù)。與傳統(tǒng)的光耦合器相比，該設(shè)備系列提供了更高的 性能、更高的可靠性、更大的易用性和更直觀的設(shè)計(jì)。Si87xx可以很容易地改造到現(xiàn)有的光耦合器電路中，并且不需要進(jìn)行PCB更改。這些設(shè)備是理想的改造或新的設(shè)計(jì)。

審核編輯：湯梓紅