利用數(shù)字隔離器技術(shù)增強工業(yè)電機控制性能

摘要：本文介紹了數(shù)字隔離器技術(shù)，來增強工業(yè)電機控制性能并對其進行分類，介紹了隔離方法、進行了延遲特性比較，縫隙數(shù)字隔離器技術(shù)對電子控制系統(tǒng)的系統(tǒng)影響，給出應用實例，予以工程師參考。

1 隔離類型簡介

　　隔離用戶和敏感的電子部件是電機控制系統(tǒng)的重要考慮事項。安全隔離用于保護用戶免受有害電壓影響，功能隔離則專門用來保護設備和器件。電機控制系統(tǒng)可能包含各種各樣的隔離器件，例如：驅(qū)動電路中的隔離式柵極驅(qū)動器;檢測電路中的隔離式ADC、放大器和傳感器;以及通信電路中的隔離式SPI、RS-485、標準數(shù)字隔離器。無論是出于安全原因，還是為了優(yōu)化性能，都要求精心選擇這些器件。

　　雖然隔離是很重要的系統(tǒng)考慮，但它也存在缺點：會提高功耗，跨過隔離柵傳輸數(shù)據(jù)會產(chǎn)生延遲，而且會增加系統(tǒng)成本。傳統(tǒng)上系統(tǒng)設計師求助于光耦合器解決方案，多年來，它是系統(tǒng)隔離的當然選擇。最近十年來，基于磁耦合(變壓器傳輸)方法的數(shù)字隔離器提供了一種可行且在很多時候更優(yōu)越的替代方案;從系統(tǒng)角度考慮，它還具備系統(tǒng)設計師可能尚未認識到的優(yōu)點。 本文將討論這兩種隔離解決方案，重點論述磁隔離對延遲時序性能的改善，以及由此給電機控制應用在系統(tǒng)層面帶來的好處。

2 隔離方法

　　光耦合器利用光作為主要傳輸方法，如圖1所示。 發(fā)送側(cè)包括一個LED，高電平信號開啟LED，低電平信號關(guān)閉LED。 接收側(cè)利用光電檢測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換回電信號。 隔離由LED與光電檢測器之間的塑封材料提供，但也可利用額外的隔離層(通?；诰酆衔?予以增強。

　　光耦合器的最大缺點之一是：隨著LED老化，其輻射特性會漂移，設計人員必須考慮這一額外問題。 LED退化導致時序性能隨著時間和溫度而漂移。因此，傳播和上升/下降時間會受影響，使設計復雜化，尤其是考慮到本文后面要處理的問題。

　　光耦合器的性能擴展性也會受到影響。為了提高數(shù)據(jù)速率，必須克服光耦合器固有的寄生電容問題，該問題會導致功耗升高。寄生電容還會提供耦合機制，導致基于光耦合的隔離器的CMTI(共模瞬變抗擾度)性能劣于競爭對手。

　　磁隔離器(基于變壓器)已大規(guī)模應用十多年，是光耦合器的有效替代方案。這類隔離器基于標準CMOS技術(shù)，采用磁耦合傳輸方案，隔離層由聚酰亞胺或二氧化硅構(gòu)成，如圖2所示。以低電流脈沖方式通過線圈傳輸，產(chǎn)生一個磁場，磁場穿過隔離柵，在隔離柵另一側(cè)的第二線圈中感生一個電流。 由于采用標準CMOS結(jié)構(gòu)，其在功耗和速度方面具有明顯優(yōu)勢，而且不存在光耦合器相關(guān)的壽命偏差問題。 此外，由于基于變壓器的隔離器中存在較低的寄生電容，它們的CMTI性能優(yōu)于基于光耦合器的隔離器。

　　基于變壓器的隔離器還允許使用常見處理模塊(防止雜散輸入信號)和高級傳輸編解碼機制。 這樣就可以實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，使用不同編碼方案來優(yōu)化功耗與傳輸速率的關(guān)系，以及后文提到的將重要信號更快速、更一致地傳輸?shù)礁綦x柵另一端。

3 延遲特性比較

　　所有隔離器都有一個非常重要但常常被輕視的特性是其傳播延遲。此特性衡量信號(可以是驅(qū)動信號或故障檢測信號)沿任一方向跨過隔離柵所需的時間。 技術(shù)不同，傳播延遲差別很大。 通常提供的是典型延遲值，但系統(tǒng)設計師特別關(guān)注最大延遲，它是設計電機控制系統(tǒng)需要考慮的重要特性。表1給出了光耦合器和磁隔離柵極驅(qū)動器的傳播延遲和延遲偏斜值示例。

　　如表1所示，磁隔離在最大延遲和延遲可重復性(偏斜)方面優(yōu)勢明顯。這樣，電機控制設計人員對設計將更有信心，無需增加時序裕量以滿足柵極驅(qū)動器特性。對于電機控制系統(tǒng)的性能和安全，這都有著非常重要的意義。

4 對電機控制系統(tǒng)的系統(tǒng)影響

　　圖3顯示了交流電機控制應用中采用的典型三相逆變器。 該逆變器由直流總線供電，直流電源通常是通過二極管橋式整流器和容性/感性-容性濾波器直接從交流電源產(chǎn)生。在大部分工業(yè)應用中，直流總線電壓在300V至1,000V范圍內(nèi)。采用脈寬調(diào)制(PWM)方案，以5kHz至10 kHz的頻率切換功率晶體管T1至T6，從而在電機端子上產(chǎn)生可變電壓、可變頻率的三相正弦交流電壓。

　　PWM信號(如PWMaH和PWMaL)在電機控制器(一般用處理器和/或FPGA實現(xiàn))中產(chǎn)生。 這些信號一般是低壓信號，參考處理器接地軌。為了正確開啟和關(guān)閉功率晶體管，邏輯電平信號的電壓電平和電流源能力必須放大，另外還必須進行電平轉(zhuǎn)換，從而以相關(guān)功率晶體管發(fā)射極為接地基準。 根據(jù)處理器在系統(tǒng)中的位置，這些信號可能還需要安全絕緣。