【应用】工业自动化应用：CMOS数字隔离才是王道！
工业自动化发展热潮正不断升温，特别在可以确保设备安全性和可靠性的隔离设计方面更是涌现了巨量的设计需求，引来可观的商机。
工业自动化的发展道路上充满了许多技术挑战
1）设备安全无法妥协
• 安全功能至关重要
• 产品在高应力下性能必须稳定
2）高噪声环境中正常工作
• 工厂外部电/磁场的抗干扰性高
• 高电压瞬变噪声的抗干扰能力强
3）产品使用寿命长
• 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
• 在高应力下产品使用寿命长
4）高性能
• 产品性能必须世界一流
• 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。SILICON LABS高级应用工程师黄科涛先生表示，工厂存在很多高压设备，通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。随著工业自动化应用对相关设备的性能要求提升，内置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、没裕量的共模瞬态噪声免疫（CMTI）、能源效率低等，促使行业开始将目光移至新型的CMOS电容耦合数字隔离器方案。
黄科涛进一步强调，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，所以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。
图1：传统光耦隔离方案特性
图2：新型CMOS数字隔离方案特性
高速、多通道的PLC输入数字隔离方案
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，Silicon Labs近期推出业界首款高速、多通道数字隔离器，便是锁定PLC的应用需求。新型Si838x数字隔离器可以为工厂自动化PLC提供优于光电耦合器的性能和使用寿命，其无与伦比的特性包含高速通道（高达2Mbps）、高通道集成度（每个设备最高可达8个通道）、双极输入灵活性、高抗干扰性和2.5kVRMS安全隔离等级。此外，Si838x非常适用于分布式过程控制系统中的过程自动化控制器（PAC）。
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紧凑特性。许多PLC设计规模可达128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。Si838x系列产品首次完全克服了这些挑战，在紧凑的QSOP封装中提供了灵活、高速、多通道的双极性隔离解决方案，与基于光电耦合器的解决方案相比，提供更长的使用寿命和更高的可靠性。
图3：Si838x数字隔离器有效解决了PLC设计挑战
Si838x PLC输入型隔离器系列产品特性：
• 双极输入能力，为Sinking或者Sourcing PLC输入类型提供灵活的设计选项
• 单个封装中最大集成8个通道，为紧凑的PLC设计节省电路板面积
• 高速2Mbps通道支持可靠的伺服电机控制
• 高噪声抗扰度（高速通道，50kV/μsCMTI）确保可靠操作
• 并行或SPI接口，提供灵活的设计选项
• 单个SPI端口采用16路Si838x菊花链连接，可支持到128个通道，节省控制I/O引脚
• 使用SPI，用户可编程的去抖（De-bounce）能力
• 2.25-5.5V VDD范围，为低功耗控制器接口降低功耗
• 集成2.5kVRMS的安全等级隔离
为电机驱动提供终极保护的隔离栅极驱动器
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通过IGBT给电机提供电能，必须通过高性能的隔离栅极驱动器为系统提供保护功能、并提供电流/电压反馈用于环路控制。行业人士选用驱动器的关键指标包括两点集成IGBT保护特性、低延迟、高噪声免疫和支持宽工作温度范围；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确度。
基于上述市场需求，Silicon Labs也发布了新一代的Si828x ISOdriver隔离栅极驱动器系列，为逆变器和电机驱动应用提供终极保护。Si828x旨在保护电源逆变器和电机驱动应用中敏感的绝缘栅双极晶体管（IGBT），提供了工业级的隔离等级（5kVrms）和最佳的特性集成：包括可选的DC-DC转换器、业内最快的去饱和检测、良好的定时特性以及卓越的噪声和瞬变抑制能力。
Si828x系列产品为工业电机驱动、太阳能逆变器、高压电源转换器、不间断电源、以及供暖、通风和空气调节（HVAC）压缩机控制提供了理想的解决方案。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器件。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Si828x隔离栅极驱动器采用基于Silicon Labs备受肯定的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，满足严格的UL、VDE、CQC和CSA标准。
图4：高集成度的Si828x降低了电机控制设计的复杂度
黄科涛指出，除了面向上述两项工业自动化的关键应用打造极佳的数字隔离解决方案外，Silicon Labs还拥有其他性能出色的隔离产品，包括针对电源隔离的Si88xx数字隔离器、可以提升开关电源安全性的Si8239x驱动器，以及能够准确测量高电压系统电流的Si8920隔离放大器等等，同时还准备了完善的评估套件和开发工具，如Bootstrap Calculator在线工具，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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