隔離器隔離技術在低壓電器行業中的應用
2010-12-08一 隔離器行業現狀
隔離器隔離技術在低壓電器行業中的應用繼美國之后，我國也將智能電網的發展提到戰略的層面。智能電網要求從發電、輸電到配電的整個電網，包括系統和元器件可靠、安全，能夠保證供電的連續性、安全性，低壓電器為了適應智能電網的應用，提高低壓配電與控制系統運行可靠性以及自動化程度，實現系統網絡化是發展的必然方向。一旦系統實現網絡化，低壓電器必須具有雙向通信功能，經通信適配器能與各種現場總線系統連接。工業以太網技術發展與應用，使配電系統通信網絡變得更簡潔、更高效。同時，低壓電器必須具有更高的動作可靠性和承受環境變化帶來的影響。
由于低壓電器所處的工作環境非常惡劣（如強磁場，電磁輻射，瞬態干擾脈沖，溫度），低壓電器通信的可靠性受到挑戰；為了保證通信的準確可靠和系統穩定，通常會選用一些隔離器件將通訊數據在接口上實現電氣隔離，提高低壓電器工作的可靠性。
二 隔離技術
當前的隔離技術主要有：變壓器、光耦合器、iCoupler隔離器、電容隔離以及GMR隔離器，都提供電流隔離的典型方法，它們能阻斷不共地兩點之間的電流，同時允許數據順利通過。所謂“隔離”是用來保護設備以防由電源浪涌或接地環路引起的高電壓或電流而造成設備損壞或工作失常。如果不采用隔離，上述電流會引入噪聲，降低數據傳輸可靠性，甚至會毀壞系統元件。
1. 光耦合器
光耦合器是應用范圍較廣的產品，它以光為媒介傳輸電信號，對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，一般由三部分組成：光的發射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極管（LED），使之發出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端是電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。光耦合器會占用很大的空間，傳輸頻率也相當有限(最多僅數十個Mbps)。更糟的是，光耦合器的效能還會隨著環境溫度的增加而下降。隨著系統溫度升高，光耦合器的驅動電流需求在許多情形下會增加一倍，這是因為電流傳送比(CTR，代表輸入信號傳送到輸出端的比值)會隨著溫度從25℃升高至100℃而減少六成。這會增加光耦合器驅動電流和系統散熱需求。
2. iCoupler隔離器
iCoupler技術基于芯片級變壓器，采用晶圓級工藝直接在片上制作變壓器。iCoupler變壓器采用平面結構，在晶圓鈍化層上使用CMOS金屬和金構成。金層下有一個高擊穿的聚酰亞胺層，將頂部的變壓器線圈與底部的線圈隔離開來。連接頂部線圈和底部線圈的CMOS電路為每個變壓器及其外部信號之間提供接口。使用傳送到給定變壓器初級端的1 ns脈沖對輸入邏輯跳變進行編碼。這些脈沖從變壓器初級線圈耦合到次級線圈，并且由次級端電路檢測。然后，該電路在輸出端重新恢復成輸入數字信號。此外，輸入端還包含一個刷新電路，保證即使在沒有輸入跳變的情況下輸出狀態也與輸入狀態保持匹配。
3. GMR隔離器
GMR高速數字隔離器件是采用GMR巨磁電阻技術集成的高速CMOS器件。巨磁電阻（GMR）效應來自于載流電子的不同自旋狀態與磁場的作用不同，因而導致的電阻值的變化。這種效應只有在納米尺度的薄膜結構中才能觀測出來。在GMR隔離器中，輸入端信號在低電感線圈感應電流，產生正比的磁場。總的磁場改變GMR的電阻，通過CMOS集成電路分析，輸出就是輸入信號的精確重生。GMR在隔離方面具有兩個重要的優勢。首先，GMR電阻的巨大變化提供了一個更大的信號。其次，也許更重要的是， GMR技術與集成電路技術兼容，允許巨磁阻器件可作為一部分芯片的封裝，這將導致更小，更快，更精確的器件。
4. 電容耦合隔離器件
電容耦合使用不斷變化的電場來通過隔離層實現信息傳輸。電容器極板之間的材料是電介質絕緣體(二氧化硅)，即隔離層，這種高性能的絕緣體具有很穩定的可靠性和耐用性以及抗磁干擾能力和抗瞬態電壓能力。采用電容隔離層的優勢是效率高，無論在體積、能量轉換還是在抗磁場干擾方面均如此。電容耦合的缺點在于無差分信號，并且噪聲與信號共用同一條傳輸通道。這就要求信號頻率應遠高于可能出現的噪聲頻率，以便使隔離層電容對信號呈現低阻抗而對噪聲呈現高阻抗。電容耦合存在帶寬限制，并需要時鐘編碼數據。
