Si826x - новое семейство гальванически изолированных драйверов MOSFET от Silicon Labs.


Введение
Первые изолированные драйверы MOSFET на базе трансформаторов быстро уходят с рынка в связи с появлением оптоизолированных драйверов. За последние годы оптоизолированные драйверы стали главной тенденцией, поскольку позволяют совмещать гальваническую изоляцию и преобразование уровней управляющих сигналов с одном корпусе. Однако, недавний выход на рынок усовершенствованных КМОП гальванически изолированных драйверов в свою очередь переводят параметры данного семейства устройств на совершенно новый уровень. Для более полного понимания сути вопроса рассмотрим оба типа гальванически изолированных драйверов подробнее.

Устройство оптически изолированных драйверов
Временные характеристики оптически изолированных драйверов MOSFET делают эти устройства отлично подходящими для управления низкочастотными приложениями, например, такими как электропривод. В большинстве случаев управляющее напряжение на аноде светодиода драйвера лежит в пределах 2.5..5.0 В и ток через светодиод ограничивается последовательно соединенным резистором, в то время, как на изолированной стороне напряжение составляет максимум 30 В.

Opto_ris1.jpg
Рисунок 1. Типовой оптически изолированный драйвер 
Типовой оптически изолированный драйвер (рис.1) содержит два кристалла: первое содержит излучающий светодиод, а второй содержит фотодетектор и собственно драйвер затвора MOSFET транзистора. Эти кристаллы физически разделены фотопрозрачным диэлектриком или пленкой. Протекание тока через светодиод приводит к его свечению и, в свою очередь, срабатыванию фотодетектора, который переводит выход драйвер затвора MOSFET транзистора в высокое состояние, сохраняющееся до тех пор, пока через светодиод первого кристалла протекает ток. Как только ток через светодиод перестает течь, выход драйвера затвора MOSFET транзистора переводится в низкое состояние, которое сохраняется до тех пор, пока тока через светодиод нет.

Следует заметить, что светодиод и фотоприемник производятся с использованием GaAs (галлий-арсенид) технологии, которая имеет существенный недостаток – значительное изменение характеристик с изменением температуры кристаллов. Кроме этого, данной технологии свойственно явление износа, которое сильно прогрессирует с повышением температуры.
Вообще выбор оптоизолированного драйвера для управления MOSFET транзисторами требует от разработчика считаться с такими факторами, как температура (и, скорее, даже разность температур) окружающей среды, ток через светодиод, «возраст» конкретной микросхемы драйвера из-за их влияния, например, на стабильность напряжения срабатывания и т.п. Всё это приводит либо к необходимости упрощать требования к стабильности драйверов, либо к приобретению более качественных и, как следствие, более дорогих микросхем оптоизолированных драйверов.

Другим важным параметром является устойчивость к выбросам напряжения (CMTI – Common Mode Transient Immunity), которая обуславливает способность изолированного драйвера противостоять ложным срабатываниям при превышении скорости нарастания входного сигнала. Причина данного явления обусловлена наличием внутренних паразитных емкостей, через которые высокочастотные импульсы «пролезают» через изолирующий барьер и заставляют срабатывать драйвер. Причем, чем больше эти емкости, тем менее устойчивым к таким воздействиям является драйвер и тем выше вероятность ложных срабатываний. Наиболее опасно это явление в драйверах, работающих в мощных ключевых схемах, так как в случае ложных срабатываний возможен выход из строя управляемых компонентов. Особенно часто ложные срабатывания вследствие внешней импульсной помехи наблюдается в импульсных источниках питания и схемах управления электроприводом, что иногда заканчивается весьма плачевно.
Возможными способами избегания данного явления являются увеличение тока через светодиод или применение специальных внешних схем для улучшения CMTI.

Opto_ris2.jpg
Рисунок 2. Собственные паразитные емкости 
в 
оптоизолированных драйверах
На рисунке 2 показаны паразитные пути для тока, вызванной паразитной емкостью CLEDP внутри корпуса драйвера (влияние токов через паразитную емкость CLEDN минимально, так как путь от катода светодиода до общего провода очень мал). В этой конфигурации возможны кратковременные, но очень значительные утечки через емкость CLEDP, приводящие или к кратковременным прекращению излучения светодиодом или наоборот, его свечению. В любом случае, величина паразитных явлений сильно зависит от емкости паразитных емкостей и времени нарастания или спадания фронта импульса помехи.
В целом, при всех своих положительных сторонах (дешевизна и доступность, простота использования), применение оптоизолированных драйверов также связано с негативными сторонами: старение компонентов драйвера и, как следствие, деградация параметров, высокая зависимость параметров от температуры, сильная подверженность ложным срабатываниям вследствие наличия значительных внутренних паразитных емкостей. 

Эквивалентные КМОП замены опторазвязанным драйверам
Компания Silicon Laboratories производит семейство гальванических изоляторов Si826x, которые совместимы по выводам с популярными микросхемами опторазвязанных драйверов. Микросхемы Si826x работают в 8..10 раз быстрее аналогичных опторазвязанных драйверов, позволяя использовать их как в стандартных применениях (импульсные источники питания, электропривод), так и в медицинских применениях, преобразователях энергии и т.п.
Микросхемы Si826x обеспечивают нагрузочный ток от 0.6А (Si826xA) до 4.0 А (Si826xB) и имеют параметр UVLO 5, 8 или 12 В в зависимости от точного наименования. Si826x обеспечивают напряжение гальванической развязки 5 кВ (в соответствии с МЭК 60747-5-2) и защиту от перенапряжения до 10 кВ (в соответствии с МЭК 60065), в то время как устойчивость к выбросам напряжения (CMTI) составляет 50кВ/мкс (типовое значение, минимальное – 35 кВ/мкс). Эти параметры позволяют использовать микросхемы Si826x в самых жестких условиях эксплуатации.

Структура микросхем семейства Si826x

Opto_ris3.jpg
Рисунок 3. Структурная схема гальванически изолированных драйверов 
семейства Si826x
Микросхема гальванически изолированного драйвера Si826x также состоит из двух кристаллов: на первом кристалле расположены эмулятор светодиода и высокочастотный модулятор, второй кристалл содержит высокоселективный приемник и драйвер транзистора MOSFET. Эти два кристалла разделены дифференциальным емкостным изолирующим барьером, использующим диоксид кремния в качестве диэлектрика (рисунок 3). 
Принцип действия такого изолятора относительно прост: ток через эмулятор светодиода при напряжении, не ниже, чем выше описанные уровни UVLO, приводит к высокочастотному излучению энергии, которая принимается приемником и переключает выход драйвера в высокое состояние. Соответственно, при невыполнении этих условий, выход драйвера остается в состоянии логического нуля. На первый взгляд, очень похоже на принцип действия стандартных опторазвязанных драйверов. Но при этом надо понимать, что сочетание модулятора, излучающего в очень узком спектре частот, и приемника с очень высокой селективностью позволяет построить систему с очень высокой степенью устойчивости к внешним помехам (намного лучшей, чем у стандартных опторазвязанных драйверов) и при этом имеющую практически нулевые собственные электромагнитные излучения. 

Собственные паразитные емкости внутри Si826x в 2..3 раза меньше, чем у стандартных опторазвязанных драйверов, и таким образом, Si826x имеет намного более высокий параметр CMTI и общую устойчивость к шумам и наводкам. На рисунке 4 показаны собственные паразитные емкости Si826x.
Тут необходимо учитывать, что емкость CLEDN также практически отсутствует, и наибольшее влияние имеет только емкость CIN. При этом использование диоксида кремния в качестве диэлектрика гарантирует высокую надежность, практически неограниченный срок службы и отсутствие эффекта старения.

Opto_ris4.jpg
Рисунок 4. Собственные паразитные емкости гальванически  
изолированных драйверов семейства Si826x
В качестве резюме можно перечислить преимущества микросхем семейства Si826x перед стандартными опторазвязанными драйверами:
  • широкий рабочий температурный диапазон: -40..+125°С
  • высокая производительность
  • стабильность параметров при изменении температуры, входного тока и срока службы
  • на порядок меньшая вероятность отказа или ложного срабатывания
  • в 8 раз меньшие времена задержки распространения сигнала
  • меньшее активное потребление тока
  • высокое значение CMTI (50 кВ/мкс тип.)
  • в 2..3 раза меньшие собственные паразитные емкости
  • практически нулевые кондуктивные и излучаемые помехи
  • очень высокая устойчивость к внешним наводкам и помехам
  • совместимость по выводам с большинством стандартных опторазвязанных драйверов
Далее, в продолжении статьи, будут приведены результаты сравнительных тестов микросхем Si826x и стандартных опторазвязанных драйверов MOSFET.


Назад в раздел