【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電壓以下的系統中，作為信號的隔離使用。
01 介紹
隔離是一種防止系統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中干擾損壞昂貴的處理器；切斷長距離、多節點通信時，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格參數，對設計人員來說，了解系統應用的隔離規范要求是很重要的，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響應是選擇隔離器的標準。
● 最大瞬態隔離電壓（VIOTM）
IEC 60747-5-5和VDE 0884-11中規定：隔離器在不發生故障的情況下可處理長達60秒的峰值瞬態電壓。系統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。本規范旨在鑒定隔離器在每天連續的隔離電壓。
● 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。
● 共模瞬態抗擾度（CMTI）
共模瞬態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級標準規定。
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，可以改善整體的EMI特性。
圖4 Pulse-coding容隔調制解調原理
CS817x2x系列產品的優勢概括如下：
1）實現極低靜態和動態電流：90μA @ 3.3V，靜態條件 ；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勢；
3）Refresh技術：確保輸出與輸入的狀態在任何情況下一致；
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（器件400VRMS 隔離耐壓），工業可編程邏輯控制系統包含模擬輸入、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 輸入模塊的環路供電式現場發送器。該應用中，由于系統只能接收到4mA的供電電流，從而對每個芯片的靜態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 輸入模塊的環路供電式現場發送器
● 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收發器之間。CS817x2x具有200kbps的傳輸速率、極低的靜態和動態電流、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，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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