數(shù)字電容隔離器的磁場(chǎng)抗擾度

數(shù)字電容隔離器的應(yīng)用環(huán)境通常包括一些大型電動(dòng)馬達(dá)、發(fā)電機(jī)以及其他產(chǎn)生強(qiáng)電磁場(chǎng)的設(shè)備。暴露在這些磁場(chǎng)中，可引起潛在的數(shù)據(jù)損壞問(wèn)題，因?yàn)殡妱?shì)（EMF，即這些磁場(chǎng)形成的電壓）會(huì)干擾數(shù)據(jù)信號(hào)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(chǎng)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(shè)計(jì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)擁有幾乎無(wú)窮大的　MFI。本文將對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

基本物理定則

諸如電動(dòng)機(jī)的電源線等帶電導(dǎo)體，其周圍便是一個(gè)由流經(jīng)它的電流形成的磁場(chǎng)。應(yīng)用右手定則（請(qǐng)參見(jiàn)圖 1），我們很容易便可以確定該磁場(chǎng)的方向。該定則的內(nèi)容如下：用右手握住導(dǎo)體，然后拇指指向電流的方向，這時(shí)環(huán)繞導(dǎo)體的手指便指向磁場(chǎng)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(gè)方向，磁場(chǎng)和 AC 電流都隨同一個(gè)頻率 f 而變化：B(f) ~ I(f)。磁場(chǎng)（或者更加精確的說(shuō)法是磁通密度及其相應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度）隨導(dǎo)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(dǎo)率（計(jì)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(dǎo)體距離，而 H 為以安培每米 (A/m) 為單位的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

圖1右手定則

磁場(chǎng)線穿過(guò)附近導(dǎo)體環(huán)路時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生一個(gè) EMF，其強(qiáng)度大小取決于環(huán)路面積和通量密度及磁場(chǎng)頻率：

EMF 為以伏特為單位的電勢(shì)，f 為磁場(chǎng)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(dǎo)電環(huán)路，以讓磁場(chǎng)線穿過(guò)并產(chǎn)生 EMF。如果強(qiáng)度足夠大，則這種疊加到信號(hào)電壓上的 EMF 就會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)際上，一些隔離技術(shù)對(duì)電磁干擾非常敏感。為了理解電容隔離器為什么不受磁場(chǎng)的影響，我們需要對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)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(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收機(jī)組成（請(qǐng)參見(jiàn)圖 2）。數(shù)據(jù)傳輸在由兩個(gè)電容構(gòu)成的差動(dòng)隔離層之間進(jìn)行，在每個(gè)電容的二氧化硅 (SiO2) 電介質(zhì)兩端都有一塊銅頂片和一個(gè)導(dǎo)電硅底片。發(fā)送器芯片的驅(qū)動(dòng)器輸出通過(guò)一些接合線連接到接收機(jī)芯片上隔離電容的頂片。通過(guò)將電容的底片連接接收機(jī)輸入構(gòu)成了一個(gè)導(dǎo)電環(huán)路。圖 3 顯示了隔離層的等效電路結(jié)構(gòu)圖，并標(biāo)示出了金接合線之間的環(huán)路區(qū)域。很明顯，穿過(guò)該環(huán)路的磁場(chǎng)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè) EMF，其表示下面 RC 網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓噪聲Vn1。我們常常碰到的第二種差動(dòng)噪聲部分 Vn2，其產(chǎn)生原因是共模噪聲到差動(dòng)噪聲的轉(zhuǎn)換。兩個(gè)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(jiǎn)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(jī)，RC 網(wǎng)絡(luò)的輸出必須提供一個(gè)差動(dòng)輸入電壓 VID，其超出了接收機(jī)輸入閾值。是否出現(xiàn)偽觸發(fā)，具體取決于 RC 網(wǎng)絡(luò)的增益響應(yīng) G（f）。

將差動(dòng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為單端網(wǎng)絡(luò)（請(qǐng)參見(jiàn)圖 4），簡(jiǎn)化了 G (f) 的推導(dǎo)過(guò)程，但卻要求 C′1 = 2C1，R′1= R1/2，C′2 = 2C2，以及 R′2 = R2/2。

圖4單端RC 網(wǎng)絡(luò)

一次電路仿真證實(shí)了 RC 網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)一階高通濾波器，其 C′1 和 R′1 為主要組件，頻率高達(dá) 100 MHz（參見(jiàn)圖 5 中藍(lán)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(dá)到 100 MHz 以后，增益響應(yīng)可以表示為 VID/vn 的比：

確定不會(huì)引起偽接收機(jī)觸發(fā)的最大允許噪聲，要求對(duì)方程式 5 求解vn：

然后，將 vn 代入方程式 4，得到以伏特為單位的最大容許 EMF：

將 EMF 代入方程式 3，得到最大可能磁通密度：

圖5增益幅度頻率響應(yīng)|G(f)|

通過(guò)將下列數(shù)值插入方程式 8 中，推導(dǎo)出表 1 所列磁通密度的頻變值：

VID = 10 mV（接收機(jī)輸入閾值的大?。?/p>

R′1 × C′1 = 25 ps（有效時(shí)間常數(shù)）

A = 944 × 10–9 m2（有效環(huán)路面積）

f = 1 kHz to 100 MHz（相關(guān)頻率范圍）

表1距離電容隔離器0.1m 的導(dǎo)體的電流值和磁場(chǎng)值

利用方程式 2 和 3 還得到 EMF、磁場(chǎng)強(qiáng)度 (H) 以及導(dǎo)體（此處假設(shè)將來(lái)的隔離器為 0.1 m）的相應(yīng)電流 (I)。

由表 1 所列的一些極高值，清楚地表明 5 兆安低頻電流和 100MHz 下 500A 電流都不能讓這種隔離器停止正常工作。出現(xiàn)這種幾乎無(wú)限 MFI 的原因是隔離電容的位置。如果這些電容位于發(fā)送器芯片上，則任何接合線中產(chǎn)生的 EMF 都能夠影響到未受干擾的接收機(jī)輸入。

很明顯，這種高 MFI 值不可能進(jìn)行實(shí)際的測(cè)試。電容隔離器的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)說(shuō)明了僅 1000 A/m 的適度值作為實(shí)際測(cè)試用。然而，無(wú)屏蔽電容隔離器可以輕松通過(guò) IEC61000-4-8 和 IEC61000-4-9 標(biāo)準(zhǔn)的 5 級(jí) MFI 要求。這些標(biāo)準(zhǔn)分別描述了高達(dá) 100 A/m 電源頻率電磁場(chǎng)以及 1000 A/m 脈沖電磁場(chǎng)的應(yīng)用。5 級(jí)規(guī)定了許多導(dǎo)體、總線或者中高壓線路的惡劣工業(yè)環(huán)境，它們都攜帶有數(shù)萬(wàn)安的電流。另外還包括許多攜帶全部雷電電流的雷電保護(hù)系統(tǒng)和高層建筑結(jié)構(gòu)（例如：電纜塔等）的接地導(dǎo)體。重型工業(yè)廠房和電站的室外配電裝置也是這種環(huán)境的代表。

圖 6 將電容隔離器的計(jì)算得 MFI 閾值同 IEC 61000-4-8 和 IEC 61000-4-9 的 5 級(jí)（最高）測(cè)試水平進(jìn)行了對(duì)比。

圖6MFI 測(cè)試閾值

結(jié)論

超出電容隔離器差動(dòng)電路噪聲預(yù)算的磁耦合要求 1MHz 下大于 11.7 V•s/m2（117千高斯） 的磁通量密度。這需要在一個(gè)距離器件 0.1m 的導(dǎo)體中有超過(guò) 5 百萬(wàn)安的電流才能產(chǎn)生這樣一個(gè)磁場(chǎng)。在自然界或者任何制造設(shè)備中這都是不可能存在的。如果的確存在，那么設(shè)計(jì)人員便可做以下情況假設(shè)：在隔離層失效以前，周圍的電路便都已失效。