【導讀】本篇重點介紹川土微電子數字隔離器CS817x2x產品的特點、隔離參數以及典型應用。該產品具有超高的性價比，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。
01 介紹
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。
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新版的國網標準要求隔離壽命16年以上，光耦就很難實現。
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。
02 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。通常使用兩個串聯的二氧化硅電容器，即在隔離柵的每側各一個，從而實現高壓隔離，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 ：串聯電容器隔離
關鍵性隔離規(guī)格參數
在選擇正確的數字隔離器之前，應了解關鍵的隔離規(guī)格參數，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）。這些參數代表數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。此參數表示直接和間接浪涌沖擊。根據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的系統(tǒng)級標準規(guī)定。
CS817x的這些隔離參數可詳見于數據手冊。
表1 CS817x2x VDE 隔離參數
表2 CS817x2x UL隔離參數
CS817x2x系列產品特性
CS817x2x是一系列低功耗雙通道數字隔離器，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，同時可以實現極低的低靜態(tài)功耗。在隔離CMOS數字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。基本調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系列產品的優(yōu)勢概括如下：
1）實現極低靜態(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：
03 典型應用
根據隔離器在應用系統(tǒng)中實現的功能，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。
● 01 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
● 02 PLC
圖 6 展示了PLC的電路框圖。CS817x2x適用于電網單向供電系統(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、數字輸入、數字輸出、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)路供電式現場發(fā)送器
● 03 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
● 04 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字隔離器和接口收發(fā)器進行互聯互通。
圖 9 換電柜示意框圖
● 05 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，進行互聯互通。
圖 10 電動兩輪車示意框圖
04 總結
本文主要介紹川土微電子數字隔離器CS817x2x產品的特點，隔離參數，以及典型應用。該產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。如想了解更多參數，可參考該產品的數據手冊。
來源： chipanalog
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