數(shù)字電容隔離器的磁場抗擾度
作者:Thomas Kugelstadt,德州儀器 (TI) 高級應用工程師
數(shù)字電容隔離器的應用環(huán)境通常包括一些大型電動馬達、發(fā)電機以及其他產(chǎn)生強電磁場的設備。暴露在這些磁場中,可引起潛在的數(shù)據(jù)損壞問題,因為電勢(EMF, 即這些磁場形成的電壓)會干擾數(shù)據(jù)信號傳輸。由于存在這種潛在威脅,因此許多數(shù)字隔離器用戶都要求隔離器具備高磁場抗擾度 (MFI)。許多數(shù)字隔離器技術(shù)都聲稱具有高 MFI,但電容隔離器卻因其設計和內(nèi)部結(jié)構(gòu)擁有幾乎無窮大的 MFI。本文將對其設計進行詳細的介紹。
基本物理定則
諸如電動機的電源線等帶電導體,其周圍便是一個由流經(jīng)它的電流形成的磁場。應用右手定則(請參見圖 1),我們很容易便可以確定該磁場的方向。該定則的內(nèi)容如下:用右手握住導體,然后拇指指向電流的方向,這時環(huán)繞導體的手指便指向磁場的方向。因此,磁通線的平面始終與電流垂直。
圖 1 顯示了 DC 電流的磁通密度 B。就 AC 電流而言,將右手定則用于兩個方向,磁場和 AC 電流都隨同一個頻率 f 而變化:B(f) ~ I(f)。磁場(或者更加精確的說法是磁通密度及其相應磁場強度)隨導體中心軸距離的增加而減弱。這些關(guān)系可以表示為:
以及
其中,B 為以第平方米伏秒 (V•s/m2) 表示的磁通密度,μ0 為自由空間中的磁導率(計算方法為 4π × 10–7 V•s/A•m),I 為以安培為單位的電流,r 為以米為單位的導體距離,而 H 為以安培每米 (A/m) 為單位的磁場強度。
圖 1 右手定則
磁場線穿過附近導體環(huán)路時,它們會產(chǎn)生一個 EMF,其強度大小取決于環(huán)路面積和通量密度及磁場頻率:
EMF 為以伏特為單位的電勢,f 為磁場頻率,而 A 為以平方米 (m2) 為單位的環(huán)路面積。
所有隔離器都有一定形狀或者形式的導電環(huán)路,以讓磁場線穿過并產(chǎn)生 EMF。如果強度足夠大,則這種疊加到信號電壓上的 EMF 就會導致錯誤數(shù)據(jù)傳輸。實際上,一些隔離技術(shù)對電磁干擾非常敏感。為了理解電容隔離器為什么不受磁場的影響,我們需要對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行研究。
電容隔離器的結(jié)構(gòu)
電容隔離器由兩塊硅芯片—一個發(fā)送器和一個接收機組成(請參見圖 2)。數(shù)據(jù)傳輸在由兩個電容構(gòu)成的差動隔離層之間進行,在每個電容的二氧化硅 (SiO2) 電介質(zhì)兩端都有一塊銅頂片和一個導電硅底片。發(fā)送器芯片的驅(qū)動器輸出通過一些接合線連接到接收機芯片上隔離電容的頂片。通過將電容的底片連接接收機輸入構(gòu)成了一個導電環(huán)路。圖 3 顯示了隔離層的等效電路結(jié)構(gòu)圖,并標示出了金接合線之間的環(huán)路區(qū)域。很明顯,穿過該環(huán)路的磁場將會產(chǎn)生一個 EMF,其表示下面 RC 網(wǎng)絡的輸入電壓噪聲 Vn1。我們常常碰到的第二種差動噪聲部分 Vn2,其產(chǎn)生原因是共模噪聲到差動噪聲的轉(zhuǎn)換。兩個噪聲分量共同組成了綜合噪聲 Vn。如果只考慮 EMF 的影響,則可以保守地將 Vn 一分為二:
圖 2 電容隔離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡化結(jié)構(gòu)圖
圖 3 隔離層的等效電路結(jié)構(gòu)圖
若要觸發(fā)接收機,RC 網(wǎng)絡的輸出必須提供一個差動輸入電壓 VID,其超出了接收機輸入閾值。是否出現(xiàn)偽觸發(fā),具體取決于 RC 網(wǎng)絡的增益響應 G(f)。
將差動網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換為單端網(wǎng)絡(請參見圖 4),簡化了 G (f) 的推導過程,但卻要求 C′1 =
圖 4 單端 RC 網(wǎng)絡
一次電路仿真證實了 RC 網(wǎng)絡為一個一階高通濾波器,其 C′1 和 R′1 為主要組件,頻率高達 100 MHz(參見圖 5 中藍色曲線)。超出這一頻率以后,寄生組件 C′2 和R′2生效,從而引起稍稍偏離于線性的斜率。因此,頻率達到 100 MHz 以后,增益響應可以表示為 VID/vn 的比:
然后,將 vn 代入方程式 4,得到以伏特為單位的較大容許 EMF:
圖 5 增益幅度頻率響應 |G(f)|
通過將下列數(shù)值插入方程式 8 中,推導出表 1 所列磁通密度的頻變值:
VID = 10 mV(接收機輸入閾值的大小)
R′1 × C′1 = 25 ps(有效時間常數(shù))
A = 944 × 10–
f = 1 kHz to 100 MHz(相關(guān)頻率范圍)
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