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從TI隔離器產品,看汽車和工業市場新需求

2018-11-06來源: EEWORLD 關鍵字:TI  德州儀器  隔離器  CAN隔離器  隔離放大器

近日,德州儀器(TI)宣布推出ISO224隔離放大器和ISO1042隔離式CAN收發器,為工業和汽車應用提供更可靠的保證。借新品發布之際,德州儀器隔離器產品線產品市場工程師Neel Seshan和德州儀器半導體事業部中國區汽車電子技術應用經理師英解讀了TI在隔離器市場的布局。



德州儀器隔離器產品線產品市場工程師Neel Seshan



德州儀器半導體事業部中國區汽車電子技術應用經理師英


為什么需要隔離?

Seshan表示,在電子系統信號或功率傳輸時,為了確保傳輸的信號準確,剔除掉交流和噪聲等分量,以及保護操作人員及低壓控制端的電路安全,必須引入隔離技術。

Seshan表示,隔離技術的發展趨勢共有三方面,第一是隨著系統的功率越來越大,為了減少導線上的損耗,就需要傳輸電壓越來越高,為了維持系統穩定,隔離變得越來越重要;第二則是需要支持惡劣的工作環境;第三則是需要更小的封裝尺寸。

談及隔離器件的典型應用場景,Seshan介紹道,包括工廠自動化、電網基礎設施、電機驅動、樓宇自動化、工業運輸和汽車等都需要隔離。比如工廠自動化中PLC的工作信號和通信傳輸電壓都是24V,而系統核心電子元件基本都為5V,這時候需要隔離器件以保證24V-5V的安全;電網上則是更高的高壓與低壓傳輸;對于電機驅動,控制板和馬達距離往往會很遠,需要較長的通信電纜連接,電纜會和參考電平地線形成回路,從而帶來噪音,需要通過隔離切斷地線回路,從而消除噪聲干擾;對于樓宇自動化、工業運輸等方面,也都需要總線隔離技術。

對于汽車,Seshan表示,以前汽車都是采用傳統的12V電路,而隨著新能源技術的興起,出現了48V、400V甚至800V的電壓,為了通信可靠,駕駛安全,也對隔離技術有了越來越多的需求。

談談TI的高可靠隔離技術

TI官網上有高電壓隔離技術專家Tom Bonifield對TI隔離器的專門講解。


德州儀器高電壓隔離技術專家Tom Bonifield




如圖所示TI的增強型隔離技術是通過將厚二氧化硅電容器組合串聯實現的。每個通道均在兩個裸片上采用了高電壓隔離電容器。在剖面原理圖中,您可以看到,左右兩側各有一個裸片,且它們都有一個高電壓電容器,而且它們是串聯的。隔離電容器組合厚度大于21微米。數據在傳輸過程中會穿過該隔離層。




以ISO78xx為例,信號通過傳入、接受調制、穿過差分電容器、隔離層、解調,然后傳出。目前TI產品數字隔離器、隔離鏈路、模數轉換器、隔離放大器和隔離柵極驅動器中均使用了這一隔離通信路徑。此結構可實現非常高的隔離能力,包括12.8kV額定浪涌電壓、8kV峰值瞬態過壓和1.5kVRMS工作電壓。



如果深入了解一下該結構,我們將會從上層開始。在16引腳SOIC封裝的X射線圖像中,呈現一個寬體封裝,該封裝具有8毫米的爬電距離和間隙。在封裝內部,兩個裸片墊之間有一個較大的內部間隙,該間隙超過了600微米。每個裸片都有高電壓電容器。這是一個三通道隔離器,所以每側均有六個電容器。




深入了解一下隔離電容器。增強型隔離層由兩個高電壓電容器組成,這兩個電容器分別位于兩個彼此串聯的裸片上。每個電容器均為厚二氧化硅電容器電介質。該電解質由多層組成。每一層都是集成電路的典型構建方式,行業內每年都會有數十億的集成電路采用該構建方式。每一層都是使用化學氣相沉積工藝沉積的二氧化硅。化學氣相沉積是用于形成二氧化硅薄膜的原子分子沉積工藝。在其它層上添加第二層之前,會使用化學機械拋光平面化工藝對第一層進行拋光,從而使兩層之間能夠較好的粘合。最終可得到非常厚的二氧化硅電容器,總體厚度超過10.5微米,從而實現高隔離電壓能力。


對隔離器的高可靠性測試方法一覽





TI的隔離器性能究竟如何呢?Bonifield介紹了TI的測試方法。首先,是擊穿電壓測試,該測試,會以每秒1kVRMS的速率遞增施加高交流電壓,直至發生擊穿。在發生擊穿時,記錄下擊穿電壓。通過在大量器件上重復該過程并對結果進行統計分析,可以評估該技術相對于額定值的表現效果。如直方圖所示,該結果代表了113個批次的1130個器件進行擊穿電壓測試,結果顯示平均擊穿電壓高于14kVRMS,這要比額定隔離電壓5.7kVRMS高得多。同時,一種較好的用于判斷該性能高出了多少的方法是CPK指標。CPK為1時表示該數據高于隔離要求3sigma,CPK為2表示該數據高于隔離額定值6sigma。您可以看到,該數據集中具有大于6的CPK。該CPK是在生產測試條件下測得的,比隔離額定值高20%。該數據表明,器件具有非常高的電壓隔離能力。



此圖主要討論工作電壓的可靠性。主要的隔離電氣壽命測試是時間依賴型電介質擊穿測試,簡稱TDDB。TDDB是用于確定作為電壓的函數的電介質壽命的標準方法。TDDB是一種加速壽命測試。如圖,用于測試的電壓為藍點,這些電壓為5,000、6,000和7,000VRMS,遠高于1,500VRMS的工作電壓。在各個測試電壓下,對所有器件進行威布爾統計。器件總數達到了IEC和VDE的認證要求,即要求器件數超過96個,且是來自超過3個批次。通過各個電壓下的威布爾統計,可以測量平均壽命,該值稱為t63,也就是63%的器件都測試失敗的點。而器件的失敗率仍低于1PPM時,壽命中的點則組成了圖中左側的虛線。然后將多個電壓數據擬合成一個模型。該模型是一個TDB標準模型,其中失敗時間與所施加的電場,或者本例中所施加的電壓,成指數關系。由于是指數關系,在該圖中,您可以看到,y軸上的壽命是一個對數標度,它的跨度極大,從圖底部的10秒,一直到圖頂部的300年。使用此數據的方法是將1PPM線與隔離額定值進行比較。您可以在該圖的左上角看到二者的比較。您可以通過三種方式來比較實際數據相對于工作電壓的裕度。一種方式是電壓裕度。請查看對應于40年壽命的直線,然后,沿該直線水平向右,您可以看到,1PPM線相較于1又1/2kV的隔離額定值具有超過1kVRMS的裕度。另外一種方式是壽命裕度。請查看1,500VRMS對應的直線,您可以看到,1PPM線遠遠超出了40年。事實上,它超出了圖表的頂部,這意味著它超出了300年。最后一種方式是查看失敗率。T63是失敗發生的地方。1PPM是開始出現1PPM失敗率的地方。您可以看到,這些數據遠低于1PPM。除了工作電壓外,這些數據還可用于評估高于隔離額定值本身Viotm的裕度。Viotm或Viso為額定電壓,器件需要能夠在額定電壓下堅持60秒。您可以在60秒、5.7kVRMS位置看到曲線上的Viotm標志。從該點向上看,您可以看到,實際數據相較于Viotm隔離的要求值高出了幾個數量級。這一TDDB數據要求現已成為VDE0884-11標準的一部分。




除了TDDB,TI還使用方法B1和方法A這兩種隔離標準測試進行測試。方法B1和方法A測試均由兩部分組成。第一個部分是隔離測試,即通過高電壓測試篩選出具有不合格電容器的器件。測試的第二部分是局部放電測試。在局部放電測試中,遵循相同的5pCoulomb測試標準,這是所有隔離技術都必須遵循的標準。如果使用方法A,在鑒定測試中,隔離應力為在VIOTM電壓下持續60秒。在局部放電測試中,則是在1.6倍VIORM電壓,也就是高于工作電壓60%的情況下持續10秒。外部標準IEC和VDE以及需要在樣本基礎上驗證VIOTM的季度監測均需要使用方法A。方法B1也用于質量鑒定,但它同時還用作生產測試。對于方法B1,隔離應力為在高于VIOTM20%的情況下持續1秒,局部放電測試則是在1.875倍VIORM電壓下持續1秒。外部標準IEC和VDE的要求是,所有增強型隔離器件都必須在生產環節進行測試。總之,TI的增強型隔離產品系列具有超出增強型隔離要求的高電壓能力。使用統計測試方法,通過實質性的裕度證明了這些產品的高電壓隔離質量。高電壓隔離技術的可靠性則通過時間依賴型電介質擊穿測試進行了證明,該測試是證明器件在使用情況下的壽命的行業標準方法。




接下來的測試是浪涌測試。浪涌測試用于驗證器件在短時間內對非常高的電壓電平的抵抗能力,例如抗雷擊能力。浪涌峰值電壓測試是必須的,它是外部標準IEC61000-4-5以及VDE0884-10和11的一部分。浪涌測試采用抽樣測試的方式。它使用圖中所示的標準浪涌波形。該浪涌波形具有1.2微秒的上升時間和50微秒的下降時間。每個器件都需要承受50個連續的浪涌脈沖。然后,相應器件測試通過或失敗。浪涌過后,會使用RIO對該測試結果進行確認,RIO是在500V電壓下測得的從左側到右側的電阻。該值必須大于1千兆歐姆。而且,在5.7kVRMS隔離額定值條件下測試60秒鐘所得到的方法A漏電流必須小于30微安。在TI,會使用一種方法來統計分析浪涌特征數據,如該圖中所示。該圖表明,浪涌測試失敗率是電壓的函數。所使用的方式是,在不同的電壓下測試一定數量的器件,記錄失敗的數量。





在該圖中,您可以看到,12.8kV時的失敗率為零。且直至20kV時失敗率都為零。然后,在21kV時,失敗率超過了60%。22kV時,失敗率為100%。此測試使用了具有相同極性的50個脈沖。將其稱為單極性浪涌測試。使用50個正脈沖,或者50個負脈沖進行測試。單極性測試代表對單一浪涌事件的抵抗力。但是,還有另外一種測試方法,稱之為雙極性測試。雙極性測試是由于磁滯效果造成的最壞情況浪涌測試。在此測試中,每個器件都要先后承受具有相反極性的25個脈沖。當切換極性時,器件中仍具有前25個脈沖所造成的部分電荷,這會給隔離層帶來更大的壓力。這種測試代表對更加復雜的浪涌事件的抵抗力。現在,VDE0884-10和11都要求進行該測試。此類數據是圖中的橙色數據,這便是雙極性數據,通過這類數據,您可以看到,12kV時失敗率為零,直至15kV失敗率仍未零,然后,電壓更大之后便出現了失敗的情況,到22kV時失敗率變成百分之百。在一些電壓下,所有隔離層都會測試失敗。這類測試有助于您了解您的技術相對于要求值有多大的裕度。在本例中,您可以看到可確保的電壓是12.8kV,比8kV的浪涌隔離額定值高60%。該數據表明,器件相對于要求的隔離電壓具有非常高的裕度。

總之,TI使用了各種縝密的科學方法,證明了其增強型隔離產品系列的高電壓隔離質量。

[1] [2]

關鍵字:TI  德州儀器  隔離器  CAN隔離器  隔離放大器

編輯:冀凱 引用地址:http://www.88536358.com/gykz/2018/ic-news110611669.html
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