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  隔離是一種防止系統(tǒng)兩部分之間有較大的直流或交流干擾的方法，同時允許信號可以在這兩部分系統(tǒng)正常傳輸。隔離可以保護操作人員;保護設備并防止高壓系統(tǒng)中干擾損壞昂貴的處理器;切斷長距離、多節(jié)點通信時，通信網(wǎng)絡中的接地回路。

  主流的隔離方法有三種，基于光電耦合的隔離、基于變壓器的磁耦合隔離以及基于二氧化硅(SiO2)介質的電容耦合隔離。目前低速隔離通信以光耦和電容隔離為主，高速隔離通信三種方案并存。

  低速光耦隔離，在各種使用場景中具有以下問題：

  1)普通低速光耦在115200bps的速率下，通訊不太穩(wěn)定，容易出現(xiàn)誤碼，可靠性不高。

  2)光耦為電流型器件，翻轉所需的電流一般要5mA以上，而數(shù)字隔離器一般只需要1mA。

  3)普通光耦隨著溫度的升高，通訊容易發(fā)生異常。為保證可以在全溫度范圍、全生命周期可靠運行，需要設計復雜外圍電路來實現(xiàn)。

  4)普通光耦多采用紅光發(fā)光LED和光電二極管，器件之間的電壓電流特性、光電特性、光衰特性具有較差的一致性。

  5)光耦壽命一般只有10年，在一些應用場景中是不夠的。如2020新版的國網(wǎng)標準要求隔離壽命16年以上，光耦就很難實現(xiàn)。 

  川土微電子CS817x2x隔離器系列，具有200Kbps的傳輸速率，該速率下僅需160μA 電流，可以支持 -40~105°C 的工作溫度，400VRMS的隔離工作電壓，高達40年工作壽命，適用于很多應用領域。如家電領域的，冰箱及空調的壓縮機控制，熱水器，吸油煙機，空氣凈化器等;工廠和樓宇自動化控制，如PLC，伺服控制，變頻控制等，以及智能電表，電動兩輪車，換電柜，自動販賣機，園林電動工具等。

  CS817x2x隔離器特性

  川土微電子隔離技術基礎

  川土微電子隔離器使用二氧化硅作為信號隔離的電絕緣介質。通常使用兩個串聯(lián)的二氧化硅電容器，即在隔離柵的每側各一個，從而實現(xiàn)高壓隔離，等效隔離圖示如圖1所示。與基于傳統(tǒng)的光耦和電感的(磁隔)隔離器相比，二氧化硅所提供的介電強度較高，不會因暴露于環(huán)境濕度而退化，并且可以有大于40年的隔離壽命。為了更深一層關于川土隔離技術的說明，請參閱使高壓信號隔離質量和可靠性。

  圖 1 ：串聯(lián)電容器隔離

  關鍵性隔離規(guī)格參數(shù)

  在選擇正確的數(shù)字隔離器之前，應了解關鍵的隔離規(guī)格參數(shù)，對設計人員來說，了解系統(tǒng)應用的隔離規(guī)范要求是很重要的，只有知道所需要的隔離要求，設計師才可以知道隔離器對系統(tǒng)能提供多大的保護，如隔離器能承受的最大電壓是多少?數(shù)字隔離器的高壓隔離性能，如最大瞬態(tài)隔離電壓(VIOTM)，最大隔離電壓(VISO)，最大浪涌隔離電壓(VIOSM)，最大重復峰值隔離電壓(VIORM)，最大工作隔離電壓(VIOWM)，共模瞬態(tài)抗擾度(CMTI)。這些參數(shù)代表數(shù)字隔離器處理高壓的能力，不同大小的耐壓和瞬態(tài)響應是選擇隔離器的標準。

  最大瞬態(tài)隔離電壓(VIOTM)

  IEC 60747-5-5和VDE 0884-11中規(guī)定：隔離器在不發(fā)生故障的情況下可處理長達60秒的峰值瞬態(tài)電壓。系統(tǒng)電源上的電弧或負載變化會引起干擾，電壓可能會短暫地變成線路電壓的幾倍。隔離器必須能夠在不損壞的情況下處理這些過電壓。

  最大隔離電壓(VISO)

  與VIOTM相似，根據(jù)UL 1577，隔離耐受電壓定義為隔離器能夠在60秒內不發(fā)生擊穿的電壓的均方根(rms)值，電壓的差值是峰值。

  最大浪涌隔離電壓(VIOSM)

  隔離器承受特定的瞬態(tài)電壓的極高電壓脈沖的能力。該波形圖 2所示。此參數(shù)表示直接和間接浪涌沖擊。根據(jù)IEC 60747-5-5和VDE 0884-11，具有最大浪涌隔離電壓VIOSM的隔離器必須在峰值電壓為VIOSM的1.3倍時通過浪涌測試，以實現(xiàn)基本隔離，和1.6倍的VIOSM加強隔離。當通過10kV以上的浪涌試驗時，數(shù)字隔離器可以稱為組件級增強型。

  圖2：隔離器抗瞬態(tài)電壓能力

  最大重復峰值隔離電壓(VIORM)

  在IEC 60747-5-5和VDE 0884-11中定義為隔離器能夠承受的最大重復峰值電壓。本規(guī)范旨在鑒定隔離器在每天連續(xù)的隔離電壓。

  最大工作隔離電壓(VIOWM)

  類似于最大重復峰值電壓，工作電壓為最大有效值，或等效直流電壓，隔離器能夠在規(guī)定的長壽命內承受。同樣，差異是以rms表示的值，而不是峰值電壓。

  共模瞬態(tài)抗擾度(CMTI)

  共模瞬態(tài)抗擾度是指隔離器在其兩個接地之間承受高轉換率電壓瞬變的能力，而不會損壞通過它的信號，這可能會導致信號傳輸錯誤。在某些應用中，由瞬變引起的這些信號誤差可導致短路事件。更高的CMTI表明隔離通道更加可靠。

  爬電距離和電氣間隙

  爬電和間隙是指沿封裝表面的距離，以及隔離器一側插腳與另一側插腳之間的空氣距離。該距離由基于隔離電壓要求等參數(shù)的系統(tǒng)級標準規(guī)定。

  CS817x的這些隔離參數(shù)可詳見于數(shù)據(jù)手冊。

  表1 CS817x2x VDE 隔離參數(shù)

  表2 CS817x2x UL隔離參數(shù)

  CS817x2x系列產(chǎn)品特性

  CS817x2x是一系列低功耗雙通道數(shù)字隔離器，采用川土微電子專利技術“CAPACITIVE DIGITAL ISOLATOR CIRCUIT WITH ULTRA-LOW POWER CONSUMPTION BASED ON PULSE-CODING”(美國發(fā)明專利，專利號：US 11,418,179 B2)。該技術融合pulse與OOK (ON-OFF-KEY) 調制，但比pulse調制更為可靠，同時可以實現(xiàn)極低的低靜態(tài)功耗。在隔離CMOS數(shù)字IO時，CS817x器件可提供高電磁抗擾度和低輻射。所有器件版本均具有施密特觸發(fā)器輸入，可實現(xiàn)高抗噪性能。每條隔離通道的邏輯輸入和輸出緩沖器均由二氧化硅絕緣柵隔離?；菊{制與解調的工作原理如下圖：

  圖3 Pulse-coding容隔調制解調技術

  通過檢測信號上升沿和下降沿來判斷和還原信號的高低電平，其他時間段芯片可以處于低功耗模式，從而整體上可以實現(xiàn)非常低的功耗。同時因為絕大部分時間器件處于低功耗狀態(tài)，可以改善整體的EMI特性。

  圖4 Pulse-coding容隔調制解調原理

  CS817x2x系列產(chǎn)品的優(yōu)勢概括如下：

  1)實現(xiàn)極低靜態(tài)和動態(tài)電流：90μA @ 3.3V，靜態(tài)條件 ;160μA @ 3.3V，200kbps傳輸速率;

  2)Pulse-coding技術：高可靠性、融合了OOK調制和脈沖調制的優(yōu)勢;

  3)Refresh技術：確保輸出與輸入的狀態(tài)在任何情況下一致;

  4)固定解調時間窗口：極小的脈寬失真(PWD)，最大100ns。

  下表為CS817x2x選型表：

  典型應用

  根據(jù)隔離器在應用系統(tǒng)中實現(xiàn)的功能，可以分為：

  a)模塊之間串口通信隔離

  b)ADC輸出信號與MCU之間隔離

  c)比較器輸出信號與MCU之間隔離

  d)MCU控制信號與電機驅動器之間隔離

  e)MCU控制信號與繼電器控制器之間隔離

  f)具有不同參考地的MCU之間隔離

  下面將列舉一些典型的應用案例。

  吸油煙機

  圖 5 展示了吸油煙機的電路框圖。220V單相電整流成310V的直流電，該直流電通過一個H橋驅動用于風扇的有刷直流電機。從框圖中可以看出數(shù)字隔離器主要用于對外通信，高壓側H橋的控制，高壓側電壓電流采樣和比較的隔離。

  圖 5 吸油煙機示意框圖

  PLC

  圖 6 展示了PLC的電路框圖。CS817x2x適用于電網(wǎng)單向供電系統(tǒng)(器件400VRMS 隔離耐壓)，工業(yè)可編程邏輯控制系統(tǒng)包含模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、通信接口等內外部的連接模塊。

  這些部分都需要隔離器進行隔離，以此來保護PLC控制器芯片。

  圖 6 PLC示意框圖

  圖 7為具有 PLC 輸入模塊的環(huán)路供電式現(xiàn)場發(fā)送器。該應用中，由于系統(tǒng)只能接收到4mA的供電電流，從而對每個芯片的靜態(tài)電流都有較高的要求，CS817x2x的單通道電流可以到90μA @ 3.3V，非常適合此類的應用。

  圖 7 具有 PLC 輸入模塊的環(huán)路供電式現(xiàn)場發(fā)送器

  智能電表

  圖 8 展示了智能電表的電路框圖。主要用于單向電表。智能電表內部一般有兩個模塊需要隔離，計量模塊與MCU之間，以及MCU與RS485收發(fā)器之間。CS817x2x具有200kbps的傳輸速率、極低的靜態(tài)和動態(tài)電流、40年的隔離壽命、以及較高的性價比，非常適合這類的應用。

  圖 8 智能電表示意框圖

  換電柜

  圖 9 展示了換電柜的電路框圖。換電柜一般會有一塊主控板和很多塊充電倉從控制板，他們之間一般通過數(shù)字隔離器和接口收發(fā)器進行互聯(lián)互通。

  圖 9 換電柜示意框圖

  電動兩輪車

  圖 10 展示了電動兩輪車的電路框圖。電動兩輪車一般采用48V蓄電池系統(tǒng)，車身控制模塊，電機控制模塊，以及喇叭、照明、顯示、制動、加減速單元等。他們之間通過隔離器和接口，進行互聯(lián)互通。

  圖 10 電動兩輪車示意框圖

  本文主要介紹川土微電子數(shù)字隔離器CS817x2x產(chǎn)品的特點，隔離參數(shù)，以及典型應用。該產(chǎn)品具有較高的性價比，非常適合在400 VRMS電壓以下的系統(tǒng)中，作為信號的隔離使用。