近年来,随着物联网、大数据和云计算在工业领域的普及,全球工业正在发生一轮新变革。为实现智能化、低功耗和高效率产出,工业应用中引入更多的传感器和节点,电气组件数量在持续增加,而工业电气系统的重量和体积都在减小,以新能源汽车和电力传输为代表的应用则在提高工作电压。

 

以上这些变化,都对工业隔离驱动技术提出了新的挑战。小型化、轻量化要求功率器件具备更高的开关频率、更小的死区时间,而系统复杂化与高压应用则对隔离器件的可靠性提出了更高要求。

 

光耦隔离是目前应用较为广泛的技术。光耦隔离器是以光为媒介传输电信号的器件,其原理是将发光二极管光敏二极管封装在一起,当输入端加载一定电压时发光二极管导通发射光线,光敏二极管接受到光线之后产生电流,从输出端流出。从而实现“电-光-电”的转换。通过光电转换,光耦隔离器实现了输入与输出之间的绝缘,从而可以单向传输信号。

 

在强弱电共存的工业自动化等系统中,隔离措施必不可少,通过隔离可以保护敏感电路免受高压扰动干扰与损害,从而保证系统功能正常运行,延长系统使用寿命,保护操作人员的人身安全。

 

由于具备使用简单、成本低、体积小、无触点等优势,光耦隔离驱动应用极其广泛。但光耦隔离驱动也有一些缺点,存在共模干扰抑制能力较差、隔离性能与可靠性不够高、传输延时较长,以及驱动器损耗及温升相对较大而驱动器最高工作温度相对较低等问题,难以满足当前工业隔离驱动技术的发展要求。

 

纳芯微光耦兼容隔离驱动NSi6801解决方案

纳芯微电子推出的数字隔离驱动器NSi6801解决了工程师在隔离器件选型上的困扰。该隔离驱动的外接电路与光耦隔离驱动相同,而在抗共模干扰抑制能力、隔离性能与可靠性、传输延时与驱动能力等指标上,又比光耦隔离有较大优势。工程师无需在易用性和性能之间做取舍。

 

 

在封装上,NSi6801共有三种封装,与市场上主流光耦隔离驱动器管脚兼容。在输入特性上,NSi6801内建电路模拟二极管特性,阈值电流、阈值电压和输入工作电流与市场主流光耦隔离驱动器完全相同,与光耦器件一样,NSi6801也支持输入互锁保护机制。除了在10mA工作电流时,可修改外部电阻以匹配光耦器件的输入电压之外,NSi6801与主流光耦隔离驱动的应用设置均相同。所以工程师在选用NSi6801时,可以直接替换原有的光耦隔离器设计。

 

 

那么在性能上,NSi6801与光耦隔离器件对比有哪些优势呢?

 

以共模干扰抑制能力(CMTI)为例,由于光耦隔离器件的寄生电容效应,干扰脉冲可能会导致输出端出现误关断或误开通的动作。某款主流光耦隔离驱动Axx-Wxxx在输入端出现35kV/μs的脉冲信号时,输出端就会误触发。NSi6801采用电容隔离,为提高共模抑制能力,NSi6801的隔离电路由四个电容组成差分线路传递信号,通过设计保证这四个电容的容值接近,从而有效降低共模干扰,同时,纳芯微独家专利的“Adaptive OOK™技术”,也进一步增强了抗共模干扰的能力。在实测中,NSi6801 在200kV/μs的共模干扰下仍可保持输出端的正确状态。

 

 

在隔离性能上,NSi6801全面胜出。NSi6801满足新版DIN VDE V 0884-11增强隔离标准。NSi6801最高工作直流电压2121V,比主流光耦最高工作电压高出近一倍;一分钟耐压峰值达到8kV,RMS值达到5700V,都是超越或达到光耦的最高水平。在爬电距离上,根据IEC60950,NSi6801可以适用在1000V以上的直流母线系统中,而光耦隔离器件只能适用于800V以内的直流母线系统中。

 

在工作时长上,NSi6801可在2121V母线电压工作条件下,正常工作45年以上,寿命期间失效率为百万分之一。相比而言,Axx-Wxxx在1414V直流电压工作条件下,推荐使用寿命只有11.4年。

 

与光耦隔离驱动相比,NSi6801的传输延时更小,芯片之间传输延时匹配度更高。NSi6801传输延时最大值为100ns,芯片之间传输延时差异最大值为35ns,可以支持70ns以内的系统桥臂死区时间。而光耦隔离驱动Axx-Wxxx传输延时最大为200ns,芯片之间传输延时差异最大值为100ns,仅可以支持200ns以内的系统桥臂死区时间。所以,与光耦隔离驱动相比,NSi6801更适合当前隔离应用的高频化趋势。

 

在驱动能力上,NSi6801同样优秀。最小输出电流3.5A,典型值为5A,与光耦隔离驱动相比,具有明显的优势。与普通光耦隔离驱动上管仅使用PMOS不同,NSi6801的驱动晶体管上管采用NMOS与PMOS并联的方式,有效降低了驱动器内阻,从而增强了不同输出电压下的驱动能力,并降低了驱动器损耗。驱动器损耗的降低则减少了器件发热,NSi6801工作结温为150℃,有效保证了系统在高速开关或高温应用时的可靠性。

 

通过多项对比可以发现,无论是共模抑制能力、隔离性能、工作寿命、传输延时,还是驱动能力与温升,NSi6801都比对应的主流光耦隔离驱动有明显优势,而又由于其管脚兼容,工程师无须改动设计就可以应用,可一步到位提高设计性能,所以NSi6801是替代光耦隔离驱动的更优选择。