【应用】Silicon Labs CMOS隔离器助力家用电器电机控制应用,相较于光耦合器可提供更优越的性能以及可靠性

2018-11-09 Silicon Labs

家用电器市场中许多应用场合如空调、洗衣机、烘干机和车库门等会使用到三相、脉冲宽度调制(PWM)电机。这些应用程序许多需要可变的速度和/或扭矩,而提供这种能力的控制器必须是低成本、可靠和高效的。这些控制器经常需要隔离一些电路,例如门驱动器,电流测量和控制反馈路径。虽然光电耦合器传统上提供了这种隔离,但大多数设计者已经开始转向在性能、功率、大小、可靠性和成本每道等领域相比光耦合器具有大量改进的互补的金属氧化物半导体(CMOS)隔离器。


光耦合器是一种混合设备,它包含发光二极管(LED)、光学透明绝缘膜(dielectric)和一个包含光电探测器和输出级的输出级。光耦合器的操作很简单:输出端光电探测器将光转换成电流,从而使输出级与LED的亮度成正比。光耦合器虽然原理简单,但其底层的工艺和封装技术使得其性能和可靠性相对较差。砷化镓(GaAs)的光发射会随温度和设备的老化而变化,这样会使设计复杂化,并经常迫使设计妥协。此外,单端结构的光耦合器(以及高内部电容耦合)会导致低共模态瞬态免疫(CMTI),在电噪声环境下光耦错误率将会增加。这些和其他问题(如高功率消耗、外部BOM和每个通道的大量占用)需要增加设计工作以弥补光耦合器的根本弱点。


Silicon Labs CMOS隔离器技术采用传统的CMOS工艺技术和开/关键控调制通过隔离栅来传输数据,相较于光耦合器可以提供更优越的性能以及可靠性。主要区别在于其采用主流的低功耗CMOS工艺技术代替GaAs,采用高频载波代替光照,采用完全差分隔离通道代替单端结构,采用专门的技术来抑制EMI。


CMOS隔离器操作简单明了;一个隔离通道(如下图所示)包括两个die结构,发送器和接收器通过一个差分电容隔离栅隔开。隔离器输入端为逻辑高电平时,发送器打开,发送一个载波经过隔离栅到接收器,当充足的带内载波能量检测到时输出端为逻辑高电平。反之,输入端为逻辑低电平时,阻止发送器工作,输出端为逻辑低电平。

图1 CMOS隔离器顶层框图


Silicon Labs推出的ISOdrivers(隔离驱动器)产品提供了超快的传输延迟,具有更好的时序余量、绝对可靠的的工作温度和时间以及无以伦比的规模和成本效益。1、2.5、3.75 和 5.0 kV 的隔离额定值都可用。驱动器间耐受电压为 ±1500 VDC,而且驱动器可以连接到相同或独立的地线进行接地,或者连接到浮动电压。


Silicon Labs隔离驱动器Si823x系列是在单个封装中集成了一个CMOS多通道隔离器、输出栅极驱动电路的的隔离栅极驱动器,可以提供更高的可靠性、大量的时序改进以及相较光耦合器更高的共模瞬变抑制比 (CMTI),同时也没有像栅极驱动变压器设计那样的时序约束。Si823x系列包括Si8230Si8231Si8232Si8233Si8234Si8235Si8237Si8238等型号,这些产品有三种基础配置可供选择,分别为一个高边/低边隔离驱动器且每个输出可通过输入分别控制(图2a)、一个单独的PWM输入(图2b)以及一个双隔离驱动器(图2c)。


        a) 两线制输入高边/低边                         b)PWM输入高边/低边                       c) 双隔离驱动器

图2 隔离驱动器系列


Si823x系列隔离驱动器可提供0.5A和4.0A的峰值输出电流,支持1kV, 2.5kV和5kV电压隔离值。其中,高边/低边隔离驱动器内置了重叠保护以及一个集成的可调死区发生器,双隔离驱动器无重叠保护或一死区发生器。


图3所示为一个三相交流电机驱动家用电器的实例,其通过高边/低边隔离驱动器(ISOdriver)驱动每对IGBT。每个驱动器的输入引脚DT决定着在相位切换之间增加多少死区时间,且可以通过一个外部对地电阻来调节4~950ns的范围(如果死区时间未使用,DT引脚应该接VDD)。所示动态制动器通过一个单通道Si822x隔离驱动器来驱动。Si822x隔离驱动器具有一个传统的数字输入或者一个模仿LED动作的“光耦合器”输入。Si822x与许多标准的光耦合器-基础的光驱动器如HCPL-3120引脚兼容。


图3  三相电机控制功率级


众所周知,家里有许多地方会用到三相电机。除了一些电器如空调、洗衣机、烘干机,其他场合如供暖设备、空调系统、鼓风机、泳池泵等也会用到电机控制。电机控制会用到隔离器,而Silicon Labs具有丰富的隔离器产品线,其隔离器产品具有高可靠性和优越的性能,非常适合用于家用电器电机控制场合。

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