通过隔离提高抗ESD,EFT及浪涌电压性能

前言：电气设备需要在严酷的环境中稳定可靠运行，需要具有抵抗各种干扰带来的电压应力的能力。最常见的电压应力由三种，包括ESD,EFT及浪涌电压。

电气设备接头及裸露部分在人工操作过程中，可能带来ESD（electrostaticdischarge）问题；当有电机运行时，附件的线缆会耦合出高频高压，可能带来EFT（electricalfast transients）问题；雷击可能通过长距离的线缆或者电源给电气设备带来浪涌电压问题。

本文讨论了电气设备提高抗ESD，EFT及浪涌电压性能的非隔离方案和隔离方案，通过比较两种方案的性能与成本，发现隔离方案不论在性能上，还是在成本上都更具优势。

非隔离方案简介：为了抵抗ESD,EFT及浪涌电压应力，图1所示为非隔离方案示意图。在非隔离方案里，控制器，收发器及保护器件都接在同一个保护地(GND)。保护器件一般采用低寄生电容的TVS（transientvoltage suppressors），当电气系统受到高压（HV）电压应力时，TVS导通，以保护控制器和收发器等器件。

图1 非隔离方案示意图

隔离方案简介：为了抵抗ESD,EFT及浪涌电压应力，图2所示为隔离方案示意图。

在隔离方案里，通过数字隔离器和隔离DC/DC把系统参考地分为完全独立的保护地（GND）与控制地（SGND）。控制器与数字隔离器VCC1侧接保护地（GND）；收发器，保护器件及数字隔离器的VCC2侧接控制地（SGND）。

Ciso为GND与SGND之间的电容总和，包括数字隔离器，DC/DC变压器及印制电路板引入的电容。当电气系统受到高压（HV）电压应力时，TVS导通，由于导通压降小，保护了收发器和ADC等以SGND为参考地的器件。由于高压应力加在了GND与SGND之间，则对数字隔离器提出了更高的要求。

例如：当由8KV的ESD电压应力作用于系统时，TVS的导通压降可以忽略不计，则数字隔离器需要承受8KV的ESD电压应力而不失效。当然，一种方法是提高Ciso,这样可以降低GND与SGND之间的电压应力，但是这样流过TVS电流会增加，带来额外的成本。市场上很少有不增加Ciso而能抵抗8KV的ESD电压应力的数字隔离器，荣湃（2PaiSemi）数字隔离器可以做到。

图2 隔离方案示意图

两种方案性能比较：如图1所示非隔离方案，当系统受到高电压应力时，TVS导通，由于高压应力的参考地(GND)与TVS的参考地（GND）共地，因此，TVS有瞬态大电流，TVS瞬态压降较大。这样，TVS的导通压降虽然可以避免收发器和ADC等器件过压损坏，但是会覆盖正常信号，产生瞬时通信信号异常。信号异常时间至少为瞬态噪声脉冲宽度，ESD和EFD为100ns,浪涌为100us。为了保证可靠通信，需要添加RC滤波电路及软件滤波或纠错功能，这样会增加系统成本，降低通信速率。

如图2所示隔离方案，当系统受到高压应力时，高压回路必须经过隔离电容Ciso。当电容Ciso值很小时，Ciso阻抗非常大，可以极大抑制TVS瞬态电流，这样可以降低TVS上的峰值电流和持续时间，不仅可以保护器件，而且不影响正常通信。

两种方案成本比较：相比于图1非隔离方案，图2的隔离方案增加了隔离DC/DC和数字隔离器，表面上增加了系统成本。但是隔离方案可以极大的降低TVS的峰值电流和功率要求。例如对于浪涌电压应力而言，可以把TVS最大功率由几千瓦降低到几毫瓦.如果Ciso足够小，甚至可以在系统里去掉TVS。因此，在某些应用场合，隔离方案系统成本会优于非隔离方案系统成本。

小结：本文简要介绍了电气设备为了抵抗ESD,EFT和浪涌电压应力，采用的非隔离方案和隔离方案。对于非隔离方案，采用的保护器件为低寄生电容的TVS，这对TVS的反应时间，峰值电流和最大功率有很高的要求；对于隔离方案，通过隔离DC/DC和数字隔离器将电路系统隔离为两个独立的参考地，对数字隔离器的抗ESD,EFT和浪涌电压应力的能力有更高的要求，荣湃（2PaiSemi）数字隔离器可以满足以上要求。

本文对比分析了两种方案的性能和成本。非隔离方案由于TVS导通瞬时压降大，会存在增加额外成本和降低通信速率的问题，而隔离器方案不会影响通信速率。隔离方案虽然增加了隔离DC/DC和数字隔离器，但是由于TVS的峰值电流与最大功率可以降低几个数量级，使得TVS的成本大大降低。在某些应用场合，隔离方案系统成本反而会优于非隔离方案系统成本。