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新型数字电容隔离器提升了高性能标准

时间:01-10 来源:作者:Thomas Kugelstadt,德州仪器 (TI) 高级应用工程师 点击:

善。通道数为原来的两倍,因此电感隔离器的电流消耗也增加了一倍,然而相比双通道隔离器,四通道电容隔离器的通道数仅增加了一条。出现这种结果的原因是,仅使用了一条 DC-通道,其在四条 AC-通道之间得到多路传输(请参见 4)。DC 通道仍然拥有高可靠性的同时,总电流消耗维持在最低水平,从而比双通道版本仅有最低限度的增加。

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4双通道及四通道电容隔离器的通道结构

四通道隔离器用于隔离包括数据和控制线路的接口(例如:SPI),其数据速率一般可达 20 到 80 Mbps。电感和电容隔离器之间的电流消耗在 30 Mbps 下时已经有 10mA 以上的差别,在如 100 Mbps 等更高数据速率下时这一差别可高达 40mA。

因此,它其实并非重要的 DC 电流,而是数据速率的电流增加,即斜率 Δi/Δf。

预计使用寿命

隔离器的预计使用寿命由经时击穿 (TDDB) 决定,其为一种二氧化硅等电介质材料的重要故障模式。由于制造带来的杂质和不完整性缺陷,电介质会随时间而退化。这种退化会由于电介质上施加的电场及其温度的上升而加快。

预计使用寿命的确定是基于 TDDB E 模型,其为一种广受认可的电介质击穿模型。

实际上,周围温度维持在 150oC 时,TDDB 由隔离器的施加应力电压决定(请参见 5)。测试之初便激活一个计时器,其在隔离器电流超出 1 mA 时停止,表明电介质击穿。记录每个测试电压的故障时间,并根据理论 E 模型曲线进行绘图。

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5TDDB 测试方法

图 6 所示的 TDDB 曲线表明,电容隔离器的测试数据(时间为 5 年)完全匹配 E模型预测,从而得出在 400 Vrms (560 Vpk) 工作电压下 28 年的预计使用寿命,而相同电压下电感隔离器的预计使用寿命则小于 10 年。TDDB 曲线还表明,在 700 V 和 2.5 kV 之间电容隔离器的寿命比电感隔离器长约 10 倍。

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6 电容和电感隔离器的预计使用寿命

若要达到 10 到 30 年的工业预计使用寿命,使用 SiO2电介质的电容隔离器是实现这个目标唯一可行的解决方案。

结论

因其高可靠性、低电流消耗、高带宽和长使用寿命,数字电容隔离器具有优异的性能。TI 提供各种各样的数字电容隔离器,包括隔离总线收发器和新一代 ISO74xx 电容隔离器。

参考文献

1、《长期/短期现场测试条件下 SiO2 E 和 1/E TDDB 型号的对比》,作者: Joe McPherson、Vijay Reddy、Kaustav Banerjee 以及 Huy Le,TI 和加州大学伯克利分校,IEDM 98-171-174。

2、《集成电路中低 k 互连介电层击穿的可靠性分析方法》,作者:G.S. Haase、E.T. Ogawa 以及 Joe McPherson,98 应用物理期刊,34503-34514(2005 年版)。

3、如欲下载最新的接口解决方案指南,敬请访问:www.ti.com.cn/interface。

作者简介

Thomas Kugelstadt 现任 TI 高级应用工程师,主要负责新型高性能模拟产品的定义以及探测和调节工业系统中低电平模拟信号的完整解决方案开发工作。在加盟TI 20 年里,他曾被派往欧洲、亚洲和美国担任不同的国际职位。Thomas 毕业于法兰克福应用科学大学 (Frankfurt University of Applied Science),一毕业就成为一名见习工程师 (Graduate Engineer)。

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